Алитирование это насыщение поверхностного слоя металла

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 — 900 0 С), 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 легирующие элементы. Содержащиеся в стали все 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.

Список рекомендуемой литературы.

1.Материаловедение. Учебник для вузов. Под ред. Б.Н.Арзамасова. 3-изд., перераб. и дополненное. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2001. 648с.

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

1.Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение – М.; Машиностроение, 1990 г.

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.

4.Металловедение и термическая обработка. Методический практикум по лабораторным работам.

Характеристика основных видов химико-термической обработки

С целью повышения стойкости деталей машин применяются различные виды химико-термической обработки (ХТО). ХТО называется термическая обработка, заключающаяся в сочетании термического и химического воздействия с целью изменения состава, структуры и свойств поверхностного слоя стали. При ХТО происходит поверхностное насыщение стали соответствующим элементом (С, N, Al, Cr, Si и др.) путём его диффузии в атомарном состоянии из внешней среды (твёрдой, газовой, паровой, жидкой) при высокой температуре.

ХТО включает три последовательные стадии:

1. образование активных атомов в насыщающей среде вблизи поверхности или непосредственно на поверхности металла;
2. адсорбцию образовавшихся активных атомов поверхностью насыщения;
3. диффузию-перемещение адсорбированных атомов в решётке обрабатываемого металла.

Для повышения долговечности наиболее ответственных деталей машин широко используются процессы цементации (науглероживания), нитроцементации и азотирования. Несколько в меньшей степени применяется поверхностное насыщение бором, кремнием и алюминием.

Основные методы насыщения, применяемые при ХТО

1. Порошковый метод. Этот процесс нашёл применение в мелкосерийном и серийном производстве.
2. Прямоточный циркуляционный метод диффузионного насыщения из газовых сред.
3. Диффузионное насыщение из расплавов металлов или солей, содержащих диффундирующий элемент (с электролизом или без электролиза). Жидкий метод позволяет сократить длительность технологического процесса, однако не всегда обеспечивает высокое качество поверхности и стабильность толщины диффузионного слоя.
4. Насыщение из паст и суспензий (шликерный способ). Не нашел особого применения, но им можно воспользоваться для местного упрочнения поверхности и при обработке крупногабаритных деталей.
5. Диффузионное насыщение с использованием вакуума. Насыщение осуществляется из сублимированной фазы испарением диффундирующего элемента при высоких температурах в вакууме.

Развитие процесса диффузии приводит к образованию диффузионного слоя, под которым понимают слой материала детали у поверхности насыщения, отличающийся от исходного по химическому составу. Концентрация диффундирующего элемента уменьшается от поверхности в глубь металла. Материал детали под диффузионным слоем, не затронутый воздействием насыщающей активной среды, называют сердцевиной. Диффузионный слой и его качество характеризуют следующие параметры: фазовый состав и структура, толщина общая или эффективная, распределение по толщине слоя концентрации диффундирующего элемента, поверхностная твёрдость и распределение её по толщине слоя, поверхностная хрупкость, однородность, сплошность и равномерность распределения по конфигурации изделия диффузионного слоя, закаливаемость слоя.

Азотированием является ХТО, состоящая из диффузионного насыщения поверхностного слоя стали азотом и углеродом при нагревании в соответствующей среде. Азотирование чаще проводится при 500…600 °С (низкотемпературное азотирование) или при температурах 600…1100° (высокотемпературное азотирование) в зависимости от вида изделий и необходимой толщины азотированного слоя. Азотированию можно подвергать любые стали, а также чугуны. Средой, из которой диффундирует азот в сталь, является, как правило, аммиак, который диссоциирует по схеме:

Азотирование повышает твёрдость поверхностного слоя детали, его износостойкость, предел выносливости и сопротивление коррозии. Твёрдость азотированного слоя стали выше, чем цементированного и сохраняется при нагреве до высоких температур. Азотированный слой хорошо шлифуется и полируется.

Для азотирования используют печи периодического и непрерывного действия разных конструкций. К ним относятся шахтные, муфельные и безмуфельные печи, а также камерные печи. К печам, работающим по непрерывному циклу, относятся толкательные и конвейерные печи.

Цементацией называется химико-термическая обработка, заключающаяся в диффузионном насыщении поверхностного слоя стали углеродом при нагреве до 900…950 °С в углеродосодержащей среде (карбюризаторе). Окончательные свойства цементированные изделия приобретают после закалки и низкого отпуска. Назначение цементации – придать поверхностному слою высокую твёрдость и износостойкость, повысить предел выносливости на изгиб при сохранении вязкой сердцевины. Цементация широко применяется для упрочнения зубчатых колёс, валов коробки передач автомобилей и т. д. Для цементации детали поступают после механической обработки с припуском на грубое и окончательное шлифование. Во многих случаях цементации подвергается только часть детали, тогда участки, не подлежащие упрочнению, защищают тонким слоем меди, которую наносят электролитическим способом или изолируют специальными обмазками. Применяются следующие основные виды цементации:

• в твёрдом карбюризаторе;
• в газовом карбюризаторе (газовая цементация);
• в расплавленных солях (жидкая цементация).

Газовая цементация широко применяется для изделий массового производства. Для её осуществления используют обычно разбавленный природный газ, контролируемые атмосферы, получаемые в специальных генераторах, а также пары жидких углеводородов. Основной реакцией, обеспечивающей выделение свободного углерода, является диссоциация метана и оксида углерода по схеме:

В зависимости от состава газовой смеси в печи она может иметь различную науглероживающую способность (способность обеспечивать заданное содержание углерода в поверхностном слое). Достоинством газовой цементации является возможность регулирования этого фактора в заданных пределах. Скорость газовой цементации при температуре 930…950 °С составляет 0,12…0,15 мм/ч при толщине цементированного слоя до 1,7 мм.

В серийном производстве газовую цементацию обычно проводят в шахтных печах. Необходимая атмосфера создаётся при подаче в камеру печи жидкостей, богатых углеродом. В крупносерийном и массовом производствах цементацию проводят в безмуфельных печах непрерывного действия. В этих установках весь цикл ХТО полностью автоматизирован.

Нитроцементация – процесс диффузионного насыщения стали углеродом и азотом из газовой фазы (обычно газовой среды, применяемой при цементации, с незначительным добавлением аммиака). Температура нитроцементации примерно на 100 °С ниже, чем обычной цементации (840…860 °С), продолжительность процесса значительно меньше (4…10 ч), так как диффузия углерода существенно ускоряется в присутствии азота. Толщина нитроцементированного слоя составляет, как правило, 0,2…0,8 мм. После нитроцементации осуществляют закалку и низкий отпуск (160…180 °С). Конечная структура нитроцементированного слоя состоит из мелкокристаллического мартенсита, остаточного аустенита и небольшого количества дисперсных включений карбонитридов. Твёрдость слоя достигает 58…64 HRC при содержании азота до 0,4 % и углерода до 1,65 %. Нитроцементацию используют для тех же целей, что и обычную цементацию, при обработке стальных деталей сложной конфигурации, которые подвержены при обычной цементации короблению.

Диффузионная металлизация включает группу методов, при осуществлении которых поверхностный слой детали насыщается одним или несколькими металлами. Такое насыщение проводится из расплава основного диффундирующего металла или его солей, из газовой фазы, а также путём металлизации в вакууме. Наибольшее распространение получили методы алитирования и хромирования, а также комплексные методы насыщения титаном, ванадием, медью, вольфрамом, цирконием и другими металлами в сочетании с алюминием, хромом или неметаллами.

Алитирование (диффузионное насыщение алюминием) применяют для повышения жаростойкости и коррозионной стойкости деталей топливно-энергетического оборудования из углеродистых сталей. Процесс осуществляется в основном в порошковых смесях (порошок металлического алюминия с его оксидом и хлористым аммонием), расплаве алюминия или при отжиге стального изделия с алюминиевым покрытием. Температура процесса – от 720 °C (в расплаве) до 1050 °C (в порошковой смеси), длительность – от 15 мин до 12 ч в зависимости от требуемой толщины алитированного слоя. Структура слоя – твёрдый раствор алюминия в α-железе.

Диффузионное хромирование обеспечивает повышение коррозионной стойкости, окалиностойкости изделий, а при содержании углерода в стали 0,3…0,4 % – их твердости и износостойкости. Хромирование используют для изделий из сталей любых марок. Процесс осуществляется в основном из порошковой фазы (смесь феррохрома, оксида алюминия и хлористого алюминия) при температуре 950…1100 °С и продолжительности выдержки 6…12 ч. Структура диффузионного слоя – тонкий слой карбидов хрома (0,025…0,03 мм) и переходной слой, обогащённый углеродом. Твёрдость поверхностного слоя изделий достигает 1200…1300 HV при толщине до 0,3 мм. Хромирование назначают при обработке деталей пароводяной арматуры, работающих в условиях интенсивного изнашивания в агрессивных средах, а также инструмента.

Некоторые металлы и неметаллы вводят в поверхностный слой стальных изделий комплексно. К таким методам их диффузионного насыщения относят хромотитанирование (применяется для упрочнения твёрдосплавного инструмента), хромосилицирование (для деталей подвижных сопряжений машин), хромоалитирование (для пресс-форм), борохромирование и боросульфидирование (для штампов), карбованадийтитанирование (для упрочнения инструмента на глубину до 3 мм), цирконотитанирование и цирконосилицирование (для инструмента и деталей химического оборудования). Указанные методы обработки позволяют достигать более эффективного повышения свойств поверхностного слоя деталей в сравнении с насыщением только одним элементом. Однако технология комплексного диффузионного насыщения вследствие сложности применяется пока в машиностроении ограниченно.

Высокоэнергетические методы химического модифицирования поверхностных слоев стальных изделий

Наиболее перспективными методами модифицирования поверхностных слоев машиностроительных деталей являются ионно-диффузионное модифицирование в тлеющем разряде, ионная имплантация (ионное легирование), а также комбинации ионно-плазменных методов с лазерной или электронно-лучевой обработкой.

Ионное азотирование реализуется в тлеющем разряде постоянного напряжения в среде азота или аммиака. Ионы азота, ударяясь об обрабатываемую стальную деталь, являющуюся катодом, осаждаются на ней, а затем диффундируют вглубь, так как поверхность катода разогревается при бомбардировке ионами с энергией в несколько сот электронвольт до 500…600 °С. При соударении ионов с поверхностью детали происходит ее очистка от адсорбированных и оксидных пленок, препятствующих проведению обычного азотирования некоторых сталей, например коррозионно-стойких. Длительность ионного азотирования сокращается по сравнению с обычным азотированием, температура процесса снижается, а механические свойства поверхностного слоя повышаются.

Кроме азотирования ионно-диффузионными методами, могут быть осуществлены цементация, силицирование, борирование и комплексное насыщение (карбонитрирование и т. д.) поверхностных слоев стальных изделий модифицирующими элементами.

Ионная имплантация основана на том, что при повышении энергии бомбардирующих ионов последние проникают внутрь кристаллической решетки металла, легируя поверхностный слой и упрочняя его за счёт искажения решётки. Энергия ионов при имплантации составляет 10…200 кэВ, а плотность ионных пучков – 1015…1018 частиц на 1 см2. С помощью ионной имплантации можно осуществить азотирование, борирование, оксидирование поверхностного слоя изделий и легирование его различными металлами. При ионной имплантации износои коррозионная стойкость поверхностных слоёв стальных деталей повышаются без изменения размеров последних.

При реализации данного метода можно получить в поверхностном слое такие фазы, которые невозможны в равновесном состоянии, например из-за ограниченной взаимной растворимости компонентов. Основными недостатками метода являются относительно высокая стоимость оборудования, невозможность обработки изделий сложной формы, а также малая толщина имплантированного слоя.

К перспективным методам поверхностного модифицирования конструкционных материалов относят лазерное поверхностное и электронно-лучевое легирование.

Лазерное поверхностное легирование характеризуется, как и лазерная закалка, интенсивным кратковременным тепловым воздействием на поверхностный слой изделия, которое зависит от плотности энергии лазерного излучения, подводимой к поверхности, и длительности облучения. При лазерном легировании тепловое воздействие сочетается с подведением к поверхности изделия легирующих элементов. Для этого на обрабатываемую лазером поверхность предварительно наносят тонкое покрытие из легирующего элемента (например, методом плазменного напыления или электролитическим) или осуществляют ионную имплантацию легирующего элемента в поверхностный слой перед лазерной обработкой. Возможна и одновременная подача легирующего элемента в зону обработки в момент лазерного облучения. Лазерная обработка вызывает проплавление поверхностного слоя и смешивание легирующего элемента с материалом основного слоя. Последующая скоростная кристаллизация в металле завершается образованием метастабильных фаз, состав которых может резко отличаться от равновесного.

Лазерное легирование углеродистых сталей позволяет получать поверхностные слои изделий с требуемыми структурой и комплексом свойств. Хорошие результаты достигнуты при обработке сканирующим лазерным лучом стальных изделий, покрытых порошками хрома и никеля; при этом существенно повышаются износостойкость и коррозионная стойкость изделий.

Электронно-лучевое поверхностное легирование сталей осуществляется в вакууме при облучении изделия потоком электронов. Оно даёт результаты, сходные с результатами лазерного легирования. Возможно как предварительное, так и одновременное подведение легирующих элементов в зону обработки.

Применение электронно-лучевого и лазерного легирования, а также ионно-плазменных методов упрочнения сталей ограничено из-за высокой стоимости и сложности технологического оборудования. Однако потенциальные возможности высокоэнергетических методов модифицирования поверхностных слоёв металлических изделий очень высоки, что обусловливает их достаточно широкое внедрение в машиностроении.

СИЛИЦИРОВАНИЕ

Насыщение поверхности стали кремнием называют си- лицированием. Силицирование придает стали высокую коррозионную стойкость в морской воде, в азотной, серной и соляной кислотах и несколько увеличивает устойчивость против износа.

Силицированный слон (рис. 154, г) является твердым раствором кремния в а-железе. Под диффузионным слоем часто наблюдается слой перлита. Это объясняется оттеснением углерода из диффузнойного слоя вследствие пониженной растворимости его в кремнистом феррите.

Силицированный слой отличается повышенной пористостью, толщина его 300—1000 мкм. Несмотря на низкую твердость 200— 300 HV, силицированный слой обладает высокой износостойкостью после предварительной пропитки маслом при 170—200 °С.

Силицированию подвергают детали, используемые в оборудовании химической, бумажной и нефтяной промышленности (валики насосов, трубопроводы, арматура, гайки, болты и т. д.). Силицирование широко применяют для повышения сопротивления окислению при высоких температурах сплавов молибдена.

ДИФФУЗИОННОЕ НАСЫЩЕНИЕ МЕТАЛЛАМИ

Поверхностное насыщение стали алюминием, хромом, цинком и другими элементами называют диффузионным насыщением металлами. Изделие, поверхность которого обогащена этими элементами, приобретает ценные свойства, к числу которых относятся высокая жаростойкость, коррозионная стойкость, повышенная износостойкость и твердость.

В зависимости от метода переноса диффузионного элемента на насыщаемую поверхность различают следующие основные способы диффузионного насыщения металлами: 1) погружение в расплавленный металл, если диффундирующий элемент имеет низкую температуру плавления (например, алюминий, цинк); 2) насыщение из расплавленных солей, содержащих диффундирующий элемент (с электролизом и без электролиза); 3) насыщение из сублимированной фазы путем испарения диффундирующего элемента;

4) насыщение из газовой фазы (контактным и неконтактным методом), состоящей из галогенных соединений диффундирующего элемента.

Галогенные соединения диффундирующего элемента получают путем воздействия галоидного или галоидводородного газа на этот элемент или его ферросплав: М + п НГ ** MF_n -f- (п/2) Н,. На границе раздела газовая фаза — обрабатываемая поверхность могут протекать следующие реакции:

• 1) реакция обмена! МГ„ + Fe -? Fr_n -ф Mj
• 2) реакция диссоциации! МГ_П =?* МГ_П|
• 3) реакция диспропорционирования! МГ_а М МГ_т, где М — диффундирующий металл; Г — соответствующий галоид (Cl, F, Вг); п и т — стехиометрические коэффициенты (целые числа).

Металл М, образующийся в результате реакции, адсорбируется обрабатываемой поверхностью и диффундирует в глубь обрабатываемого изделия. Наиболее часто применяют контактный метод насыщения из газовой фазы. Для этого обрабатываемую деталь упаковывают в порошкообразную среду, состоящую из ферросплава диффундирующего элемента (50—75 %), А1_аО_в или шамота и 0,5—5,0 % NH₄C1. При высокой температуре идет реакция диссоциации NH₄C1 -? NH_e + HG1, при этом НС1 взаимодействует о ферросплавом, образуя галоидные соединения диффундирующего элемента. Процесс ведут при температуре 950—1150 °С в течение 3—12 ч.

В последние годы насыщение металлами (например, хромом) проводят путем испарения диффундирующего элемента в вакууме. Насыщение поверхности стального изделия двумя и большим числом компонентов (А1 и Si, Сг и Si, В и А1 и др.) позволяет в большей мере изменить свойства их поверхности. Ниже дана характеристика наиболее часто применяемых процессов диффузионной металлизации.

Алитирование — насыщение поверхности стали алюминием. В результате алитирования сталь приобретает высокую ока- линостойкость (до 850—900 °С), так как в процессе нагрева на поверхности алитированных изделий образуется плотная пленка окиси алюминия А1_а3, предохраняющая металл от окисления. Алитированный слой обладает также хорошим сопротивлением коррозии в атмосфере и морской воде.

Структура алитированного слоя представляет собой твердый раствор алюминия в а-железе (см. рис. 154, а). Концентрация алюминия в поверхностной части слоя составляет

30 %. Толщина слоя 200—1000 мкм. Твердость алитированного слоя (на поверхности) до 500 HV, износостойкость низкая. Алитированию подвергают топливники газогенераторных машин, чехлы термопар, детали разливочных ковшей, клапаны и другие детали, работающие при высоких температурах.

Хромирование — насыщение поверхности стальных изделий хромом. Этот процесс обеспечивает повышенную устойчивость стали к газовой коррозии (окалиноетойкость) при температуре до 800 °С, высокую коррозионную стойкость в таких средах, как вода, морская вода и азотная кислота. 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 а-железе

(ем. рие. 154, б). Слой, полученный при хромировании втали, содержащей 0,3 % и более углерода, еоетоит из карбидов хрома (Cr, Fe)₇C8 или (Cf, Fe)₂₈C_e. На рие. 154, в показана структура хромированного елоя, полученного на етали е 0,45 % С. Слой состоит из карбидов хрома (Сг, Fe^Cg. Под елоем карбидов находится переходный елой е высоким содержанием углерода (0,8 %). Такие слои образуются в результате диффузии углерода из внутренних слоев к поверхности навстречу хрому. Углерод обладает большей скоростью диффузии, чем хром, поэтому для образования карбидного слоя используется не весь углерод и под карбидным слоем находится переходный слой с высоким содержанием углерода. Карбидный слой обладает высокой твердостью. Твердость слоя, полученного хромированием железа, 250—300 HV, а хромированием стали — 1200—1300 HV.

Хромирование используют для деталей паросилового оборудования, пароводяной арматуры, клапанов, вентилей, патрубков, а также деталей, работающих на износ в агрессивных средах.

Справочник химика 21

Химия и химическая технология

Сталь алитирование

Хорошая устойчивость к сероводородной коррозии достигается путем алитирования углеродистой и хромистой (с 7% Сг) стали из расплава. [c.87]

Диффузионное насыщение поверхности стали алюминием применяют в основном для повышения жаростойкости стали, в окислительных и особенно в сероводородсодержащих средах. Алитированная сталь при температурах 500—600 °С успешно конкурирует с хромоникелевой нержавеющей сталью типа 18—8 в средах, содержащих сероводород. На выносливость стали алитирование влияет по-разному в зависимости от толщины слоя. Так, порошковое алитирование на глубину 0,1—0,2 мм резко снижает предел выносливости стали и практически не влияет на коррозионную усталость. Алитирование на глубину 0,04—0,05 мм незначительно влияет на предел выносливости стали и более чем в 2 раза повышает условный предел коррозионной усталости. Алитирован-ный слой также понижает влияние концентраторов напряжений, особенно в коррозионной среде. [c.88]

Углеродистая сталь алитированная. . 500—600 [c.194]

Металлизация применяется также для повышения жаростойкости сталей алитированием (цементационные ящики, кожухи термопар и др.), для нанесения декоративных покрытий, защиты изделий от науглероживания при цементация и др. [c.600]

Чистый алюминий используется для плакирования стали с целью повышения ее стойкости к коррозии. Для этой цели применяется также алитирование — насыщение поверхности стали алюминием на глубину 0,02—1,2 мм, в результате чего создается плотная н прочная антикоррозийная пленка. [c.259]

Алитирование. Процесс алитирования заключается в насыщении поверхности стальных деталей алюминием. При алитировании детали упаковывают в ящики со смесью, состоящей из 48% алюминия, 48% окиси алюминия и 2% нашатыря, затем выдерживают от 5 до 15 час. при температуре от 900 до 1050° С. Насыщенная алюминием поверхность стали имеет высокую жароупорность. [c.30]

Важной областью применения А1 является использование его для насыщения (алитирования) поверхности изделий из железа и стали, для придания им жаропрочности и предохранения от коррозии. Наибольшую ценность в этом отношении имеет А1 высокой степени чистоты. [c.281]

Горячее алитирование применяют при производстве стальной ленты непрерывным способом. Алитированная сталь обладает коррозионной стойкостью алюминия и прочностью стального листа. Поверхность алитированных листов — матовая серебристая. Тол- [c.79]

Диффузионное алитирование мелких предметов проводят аналогичным способом, но при температуре около 1000° С. Покрытия, помимо сказанного, стойки к продуктам сгорания при высоких температурах. Диффузионное алитирование труб или предметов больших размеров проводят следующим образом. Прежде всего поверхность изделия очищают (лучше струйной обработкой), напыляют слой алюминия и несколько слоев жидкого стекла, а затем выдерживают при температуре 900—1050° С в течение 2—4 ч. Жидкое стекло образует защитный слой, под которым протекает диффузия алюминия в сталь. Трубы с такими покрытиями применяют в обменных аппаратах, предназначенных для работы в среде двуокиси серы, сероводорода, продуктов сгорания и т. д. [c.83]

На рис. 79 показано влияние продолжительности и температуры алитировання на толщину алитированного слоя стали марки 10, а на рис. 80 — распределение концентрации алюминия в железе по глубине слоя после алитировання в порошкообразной смеси. [c.121]

Основными мерами борьбы против коррозии в неэлектролитах является использование коррозионностойких материалов, например нержавеющих и алитированных сталей и др. В боль-щинстве случаев в нефти имеет место и электрохимический коррозионный процесс, что дает возможность применять ингибиторы и протекторную защиту. [c.15]

В — при 600°С в горячих газах, содержащих 8О2 и пары воды. Алитирование предохраняет сталь от коррозии в горячих газах, содержащих Ъ% 80г. [c.409]

К числу таких покрытий на углеродистых и легированных сталях относятся покрытия на основе алюминия, кадмия, цинка. Ц1 Смотреть страницы где упоминается термин Сталь алитирование: [c.142] [c.120] [c.322] [c.84] [c.84] [c.88] [c.89] [c.80] [c.122] [c.23] [c.294] [c.44] [c.46] [c.62] Справочник механика химического завода (1950) — [ c.532 , c.533 ]

Методы повышения качества поверхностного слоя деталей

Для улучшения качества поверхности используют различные способы упрочнения. Эти способы позволяют улучшить качество деталей. К подобным методам относят отделочную обработку. Главная цель методов – воспроизвести необходимые требования к деталям и повысить срок их службы.

Поверхность можно охарактеризовать физическими, механическими свойствами и микрогеометрией.

Неоспоримый факт, что качество свойств поверхностей различных деталей (например, валов) непосредственно влияет на рабочие характеристики машин. С помощью определенного вида обработки поверхности деталей машин подгоняют под заданные физико-механические характеристики. Детали становятся более прочными, устойчивыми, твердыми. Увеличивается их срок службы и качество эксплуатации. Требования к качеству машин должны соблюдаться в полной мере. Эту задачу помогают решить некоторые методы. Рассмотрим более подробно их классификацию:

— тепловая обработка поверхности (например, обычная закалка или ТВЧ –токами высокой частоты);

— химические и тепловые способы (цементация, азотирование, планирование);

— диффузионная металлизация (диффузионное алитирование, хромирование, силицирование и др.);

— использование твердых сплавов и металлов (покрытие литыми и порошкообразными сплавами);

Закаливание —

По поверхности деталей проходятся электрическим током. Также данный метод осуществляют с использованием газового пламени. Тогда внутренняя часть детали после снижения температуры получается незакаленная. Метод закаливания делает поверхность более твердой и устойчивой к внешним воздействиям среды. А центральная часть остается прочной и вязкой. Использование лазерного луча также целесообразно при закаливании поверхностей.

Цементация —

Главная цель метода – наполнить поверхность углеродом. Используется данный метод с 19 века. По технологии напоминает азотирование. Сталь помещают в любой вид карбюризатора (твердый, газообразный, жидкий). После чего нагревают. Затем происходит снижение температуры. По окончанию цементации рекомендуется произвести закаливание, которое оставит пластичной центральную часть. Цементация увеличивает стойкость изделий к различного рода нагрузкам, прочность и твердость. Температура при цементации должна быть не меньше 800 градусов. Некоторые способы цементации используют в домашних условиях.

Азотирование —

Метод наполняет поверхность изделий азотом. Для этого используют газообразный аммиак. Детали нагревают при температуре от 450 градусов. После чего изделие остывает. Азотирование увеличивает прочность и срок службы, сводит до минимума появление ржавчины.

Цианирование —

В этом методе совмещается углерод и азот. Наполнение поверхности увеличивает прочность, срок службы и твердость. Температурный режим данного метода от 530 градусов. Используется для разных металлов. Результат зависит от вида материала, температуры и концентрации газов.

Диффузная металлизация —

С помощью этого метода происходит насыщение поверхности разными видами металлов. Для начала поверхность изделия очень сильно нагревают. В этот момент изделие контактирует с другим металлом. Изделие с внешних сторон наполняется алюминием, хромом, кремнием. Происходит алитирование, хромирование изделия, силицирование изделия. Используются различные металлы. Поверхность детали выдерживают при повышенной температуре необходимое время, после чего температуру снижают. Температурный режим при диффузной металлизации должна быть не меньше 900 градусов. В итоге повышается стойкость к образованию ржавчины, слои укрепляются, температурные границы увеличиваются.

Покрытие поверхностей —

Для этого метода используют различные прочные сплавы и металлы. Можно применить напыление. Метод покрытия увеличивает срок службы изделия. Присадочным материалом обычно является порошок. Он применяется для повышения свойств и улучшения характеристик. В таком случае используется плазменное напыление, которое осуществляется с помощью лазера.

Поверхностно-пластическое деформирование (ППД) —

Считается самым легким и продуктивным. Он увеличивает работоспособность и безопасность машин. С использованием данного метод увеличивается прочность и срок службы изделий. Деталь становится максимально твердой. А все существующие неровности на минимизируются. ППД уменьшает шероховатость Rа. В радиусе увеличиваются закругленные вершины. Длина опоры профиля также возрастает.

Упрочнение позволяет задать определенные свойства и требования к изделию и его поверхности.

Такой способ деформирования подразделяют на: обработку дробью, гидровиброударную обработку; электромагнитное, ультразвуковое упрочнение и др. Он позволяет создавать различную структуру материала и придавать особые свойства. Деформированию могут подвергаться изделия с различными формами и объемами.

Метод отделочной обработки —

Это доводка, притирка, супершлифование, полировка. При применении данного метода возможны небольшие отклонения в объемах, размере и форме изделия. Но эти отклонения никак не сказываются на качестве изделия и на успешности эксплуатации. Особое внимание уделяется шероховатости изделия.

Абразивная доводка —

Конечный способ улучшения качества деталей. Активно используется в промышленности. Для ее осуществления применяются специальные пасты, станки, ручные притиры. Возможны небольшие изменения в размере, форме поверхности деталей Rа = 0,16. 0,01 мкм. Данный способ соединяет в себе механические, химические и физико — химические процессы. Данный способ используется довольно часто. В некоторых случаях абразивная доводка — единственно-возможный метод улучшения качества поверхности изделия.

Суперфиниш —

С помощью шлифовальных и цилиндрических брусков производится шлифовка изделия. Использование данного метода позволяет снизить шероховатость до Rа = 0,1. 0,012 мкм., Опорная площадь поверхности используется практически полностью (90%). При этом изменения объемов и форм поверхностей изделия не происходит. Для шлифовки используют мелкозернистые бруски. Их смазывают керосином вперемешку с турбинным маслом. Скорость обработки примерно до 2,5 м/с). Воздействие на деталь сводится к минимуму. Для суперфиниша применяется простое оборудование и универсальные станки. У этого метода очень высокая производительность и отличное качество поверхности изделий. Эксплуатационные свойства изделия увеличиваются с применением данного метода. Единственное, не всегда получается устранить погрешности предыдущих обработок.

Полировка —

Используется для того, чтобы уменьшить неровности поверхности и при этом не изменить габариты и внешний вид детали. С помощью полировки появляется возможность убрать минимальный и тонкий слой с изделия. Данный метод также является заключительным этапом в обработке. Задача полировки достичь шероховатость равную– Ra = 0,1. 0,012 мкм. Для этого метода используются шлифовочные инструменты – ткань, войлок и т.д. На инструменты наносят специальные пасты. Ручная полировка делает изделие ровным и идеальным. Во время шлифовки изделий в барабанах и виброконтейнерах применяют абразивные шкурки, а также свободные абразивы. При полировке часто применяю электрокорунд и карбиды кремния. Также бор, окись хрома, железа, алюминия, пасты ГОИ, алмазные и эльборовые шкурки — все это полирует поверхность изделий.