Диффузионная металлизация

Диффузионная металлизация – это процесс диффузионного насыщения поверхностных слоев стали различными металлами. Она может осуществляться в твердых, жидких и газообразных средах.

При диффузионной металлизации в твердых средах применяют порошкообразные смеси, состоящие обычно из ферросплавов с добавлением хлористого аммония (NН₄Сl₁) в количестве 0,5—5%.

Жидкая диффузионная металлизация осуществляется погружением детали в расплавленный металл (например цинк, алюминий).

При газовом способе насыщения применяют летучие хлористые соединения металлов (А1С1з, СгСl₂, SiС1₄и т. д.), образующиеся при взаимодействии хлора с металлами при высоких температурах.

Хлориды диссоциируют на поверхности железа и выделяющийся в атомарном состоянии металл диффундирует в железо.

Диффузия металлов в железе идет значительно медленнее, чем углерода и азота, потому что углерод и азот образуют с железом твердые растворы внедрения, а металлы — твердые растворы замещения. Это приводит к тому, что диффузионные слои при металлизации получаются в десятки раз более тонкими.

Поверхностное насыщение стали металлами проводится при температурах 900—1200° С.

Алитированием называется процесс насыщения поверхности стали алюминием. В результате алитирования сталь приобретает высокую окалиностойкость (до 850—900° С) и коррозионную стойкость в атмосфере и в ряде сред.

При алитировании в порошкообразных смесях чистые детали вместе со смесью упаковывают в железный ящик. В рабочую смесь входят: порошковый алюминий (25— 50%) или ферроалюминий (50—75%), окись алюминия (25—50%) и хлористый аммоний (~1,0%). Процесс осуществляется при температуре 900—1000° С в течение 3—12 ч.

Реже применяют алитирование в ваннах с расплавленным алюминием. Алитируемые детали погружают в расплавленный алюминий (92—94% А1 и 6—8% Ре). Железо добавляют для того, чтобы предотвратить растворение обрабатываемых деталей в алюминии. Процесс проводят при температурах 700—800° С в течение 45— 90 мин.

Алитирование в расплавленном алюминии отличается от алитирования в порошкообразных смесях простотой метода, быстротой и более низкими температурами. Основной недостаток процесса — налипание алюминия на поверхность деталей.

Иногда применяют металлизацию поверхности стали алюминием (напыление слоя алюминия на обрабатываемую поверхность) с последующим диффузионным отжигом при температуре 900—1000° С в течение 1—3 ч.

Для предохранения алюминия от окисления во время диффузионного отжига изделие покрывают обмазкой, состоящей из серебристого графита (48%), кварцевого песка (30%), глины (20%), хлористого аммония (2%) и 20—25% от массы первых четырех составляющих — жидкого стекла.

Алитирование стали металлизацией с последующим диффузионным отжигом в несколько раз дешевле, чем в порошках.

Алитированный слой представляет собой твердый раствор алюминия в а-железе, концентрация алюминия в поверхностном слое достигает 30—40%. Толщина алитированного слоя 0,2—1,0мм.

Алитированию подвергают трубы, инструмент для литья цветных сплавов, чехлы термопар, детали газогенераторных машин и т. д.

Хромирование (поверхностное насыщение хромом) проводят для повышения коррозионной стойкости, кислотостойкости, окалиностойкости (до 850° С) и т. д. Хромирование средне- и высокоуглеродистых сталей повышает твердость и износостойкость.

Хромирование чаще всего проводят в порошкообразных смесях (50% металлического хрома или феррохрома, 49% окиси алюминия и 1% хлористого аммония). Процесс осуществляется при температуре 1000—1050° С. Диффузионный слой, получаемый при хромировании углеродистых сталей, состоит из карбидов хрома (Fe, Сг)₇Сз и (Fe, Сг)₂зС_б. Карбидный слой имеет высокую твердость НV 12000—13000. Толщина хромированного слоя достигает 0,15—0,20 мм при длительности процесса 6—15 ч. Чем больше углерода в стали, тем меньше толщина слоя.

Значительно реже применяется газовое хромирование. Процесс проводят в среде, содержащей пары СгСl₂. Пары СгСl₂ получают пропусканием осушенных Н₂ и НСr через феррохром или хром при температуре 980° С. За 3—5 ч получают слой толщиной 0,06—0,10 мм.

Иногда применяют хромирование в вакууме. Изделия засыпают кусочками (диаметром 1—3мм) хрома в стальном или керамическом тигле и помещают в вакуумную печь (разряжение 1,3-0,13 Па). При высокой температуре (960—1000° С) хром испаряется и диффундирует в сталь.

Хромирование применяют для пароводяной арматуры, клапанов, вентилей, а также деталей, работающих в агрессивных средах.

Борированием называется насыщение стали бором. Борирование проводят с целью повышения стойкости против абразивного износа. Толщина борированных слоев не превышает 0,3 мм, твердость НV 18000—20000.

Широкое распространение получил метод электролизного борирования в расплавленных солях, содержащих бор. Деталь служит катодом в ванне с расплавленной бурой (Na₂B₂O₇). Температура процесса 900—950° С. Процесс можно вести и без электролиза в ваннах с расплавленными хлористыми солями (NаС1, ВаС1₂), в которые добавляют порошкообразный ферробор или карбид бора.

Применяют также метод газового борирования. В этом случае насыщение бором проводят в среде диборана (В₂Н_б) в смеси с водородом при температуре 850— 900° С.

Борированию подвергают втулки грязевых нефтяных насосов, штамповый инструмент и т. д.

Силицированием называется процесс насыщения поверхности стали кремнием. В результате силицирования сталь приобретает высокую коррозионную стойкость в морской воде, в различных кислотах и повышенную износостойкость. Кроме того, силицирование резко повышает окалиностойкость молибдена и некоторых других металлов и сплавов (стали незначительно).

Силицированный слой представляет собой твердый раствор кремния в а-железе. Силицированный слой несмотря на низкую твердость (НV 200—300) и значительную пористость после пропитки маслом при температуре 170- 200° С имеет повышенную износостойкость.

Силицирование можно проводить в порошкообразных смесях, состоящих из 60% ферросилиция, 39% окиси алюминия и 1% хлористого аммония, но наиболее часто применяют газовое силицирование. В печи с вращающимися ретортами засыпают детали и куски ферросилиция или карбида кремния. Через реторты пропускают хлор, который взаимодействует с кремнием и образует SiСl4.

В результате последующих химических реакций SiCl₄ способствует образованию атомарного кремния, который адсорбируется на поверхности изделия и диффундирует в глубь металла.

При газовом силицировании при температуре 1000° С в течение 2—4 ч образуется слой толщиной 0,5—1,0мм.

Силицированию подвергают детали, применяемые в оборудовании химической, бумажной и нефтяной промышленности.

В последние годы разработаны и получают промышленное внедрение новые процессы поверхностного насыщения металлов — титанирование (насыщение титаном) и цинкование (насыщение цинком).

При диффузионной металлизации в твердых средах применяют порошкообразные смеси, состоящие обычно из ферросплавов с добавлением хлористого аммония (МН4С1) в количестве 0,5—5%.

Жидкая диффузионная металлизация осуществляется погружением детали в расплавленный металл (например цинк, алюминий).

При газовом способе насыщения применяют летучие хлористые соединения металлов (А1С1з, SiС14и т. д.), образующиеся при взаимодействии хлора с металлами при высоких температурах.

Хлориды диссоциируют на поверхности железа и выделяющийся в атомарном состоянии металл диффундирует в железо.

Диффузия металлов в железе идет значительно медленнее, чем углерода и азота, потому что углерод и азот образуют с железом твердые растворы внедрения, а металлы — твердые растворы замещения. Это приводит к тому, что диффузионные слои при металлизации получаются в десятки раз более тонкими.

Поверхностное насыщение стали металлами проводится при температурах 900—1200° С.

Алитированием называется процесс насыщения поверхности стали алюминием. В результате алитирования сталь приобретает высокую окалиностойкость (до 850—900° С) и коррозионную стойкость в атмосфере и в ряде сред.

При алитировании в порошкообразных смесях чистые детали вместе со смесью упаковывают в железный ящик. В рабочую смесь входят: порошковый алюминий (25—50%) или ферроалюминий (50—75%), окись алюминия (25—50%) и хлористый аммоний (~1,0%). Процесс осуществляется при температуре 900—1000° С в течение 3—12 ч.

Реже применяют алитирование в ваннах с расплавленным алюминием. Алитируемые детали погружают в расплавленный алюминий (92—94% А1 и 6—8% Fе). Железо добавляют для того, чтобы предотвратить растворение обрабатываемых деталей в алюминии. Процесс проводят при температурах 700—800° С в течение 45— 90 мин.

Алитирование в расплавленном алюминии отличается от алитирования в порошкообразных смесях простотой метода, быстротой и более низкими температурами. Основной недостаток процесса — налипание алюминия на поверхность деталей.

Иногда применяют металлизацию поверхности стали алюминием (напыление слоя алюминия на обрабатываемую поверхность) с последующим диффузионным отжигом при температуре 900—1000° С в течение 1—3 ч.

Для предохранения алюминия от окисления во время диффузионного отжига изделие покрывают обмазкой, состоящей из серебристого графита (48%), кварцевого песка (30%), глины (20%), хлористого аммония (2%) и 20—25% от массы первых четырех составляющих — жидкого стекла.

Алитирование стали металлизацией с последующим диффузионным отжигом в несколько раз дешевле, чем в порошках.

Алитированный слой представляет собой твердый раствор алюминия в а-железе, концентрация алюминия в поверхностном слое достигает 30—40%. Толщина али-тированного слоя 0,2—1,0 мм.

Алитированию подвергают трубы, инструмент для литья цветных сплавов, чехлы термопар, детали газогенераторных машин и т. д.