Диффузионное насыщение металлами кратко

Обновлено: 01.07.2024

Химико-термической обработка (ХТО) – обработка с сочетанием термического и химического воздействия для изменения состава, структуры и свойств поверхностного слоя детали в необходимом направлении, при котором происходит поверхностное насыщение металлического материала соответствующим элементом (С, Т, В, Аl, Сг, Si, Т и др.) путем его диффузии в атомарном состоянии из внешней среды при высокой температуре.

ХТО металлов и сплавов как с целью их поверхностного упрочнения, так и для зашиты от коррозии повышает надежность и долговечность деталей машин.

ХТО включает основные взаимосвязанные стадии:

1) образование активных атомов в насыщающей среде и диффузию их к поверхности обрабатываемого металла;

2) адсорбционно-образовавшихся активных атомов поверхностью насыщения;

3) диффузионно-перемещение адсорбированных атомов внутри металла. Развитие процесса диффузии приводит к образованию диффузионного слоя – материала детали у поверхности насыщения, отличающегося от исходного по химическому составу, структуре и свойствам.

Материал детали под диффузионным слоем, не затронутый воздействием насыщающей активной среды, называется сердцевиной. Общая толщина диффузионного слоя – кратчайшее расстояние от поверхности насыщения до сердцевины. Эффективная толщина диффузионного слоя – кратчайшее расстояние от поверхности насыщения до мерного участка, которое отличается установленным предельным номинальным значением базового параметра.

Базовый параметр диффузионного слоя – параметр материала, служащий критерием изменения качества в зависимости от расстояния от поверхности насыщения. Переходная зона диффузионного слоя – прилегающая к сердцевине внутренняя часть диффузионного слоя, протяженность которой определяется разностью общей и эффективной толщин.

Этап ХТО – диффузия. В металлах при образовании твердых растворов замещения диффузия в основном происходит по вакансионному механизму. При образовании твердых растворов внедрения реализуется механизм диффузии по междоузлиям.

Цементация стали – ХТО, заключающаяся в диффузионном насыщении поверхностного слоя стали углеродом при нагревании в карбюризаторе, проводят при 930–950 °C, когда устойчив аустенит, растворяющий углерод в больших количествах.

Для цементации используют низкоуглеродистые, легированные стали. Детали поступают на цементацию после механической обработки с припуском на шлифование.

Основные виды цементации – твердая и газовая. Газовая цементация является более совершенным технологическим процессом, чем твердая. В случае газовой цементации можно получить заданную концентрацию углерода в слое; сокращается длительность процесса; обеспечивается возможность полной механизации и автоматизации процесса; упрощается термическая обработка деталей.

Заключительная операция – низкий отпуск при 160–180 °C, переводящий мартенсит закалки в поверхностном слое в отпущенный мартенсит, снимающий напряжения и улучшающий механические свойства.

Азотирование стали – ХТО, заключающаяся в диффузионном насыщении поверхностного слоя стали азотом при нагревании в соответствующей среде. Твердость азотированного слоя стали выше, чем цементованного, и сохраняется при нагреве до высоких температур (450–500 °C), тогда как твердость цементованного слоя, имеющего мартенситную структуру, сохраняется до 200–225 °C. Азотирование чаще проводят при 500–600 °C.

Диффузионное насыщение сплавов металлами и неметаллами

Борирование – насыщение поверхности металлов и сплавов бором с целью повышения твердости, износостойкости, коррозионной стойкости. Борированию подвергают стали перлитного, ферритного и аустенитного классов, тугоплавкие металлы и никелевые сплавы.

Силицирование. В результате диффузионного насыщения поверхности кремнием повышаются коррозионная стойкость, жаростойкость, твердость и износостойкость металлов и сплавов.

Хромирование – насыщение поверхности изделий хромом. Диффузионному хромированию подвергают чугуны, стали различных классов, сплавы на основе никеля, молибдена, вольфрама, ниобия, кобальта и метал-локерамические материалы. Хромирование производят в вакуумных камерах при 1420 °C.

Алитирование – процесс диффузионного насыщения поверхности изделий алюминием с целью повышения жаростойкости, коррозионной и эрозионной стойкости. При алитировании железа и сталей наблюдается плавное падение концентрации алюминия по толщине слоя.

Назначение поверхностной закалки – повышение твердости, износостойкости и предела выносливости поверхности обрабатываемых изделий. При этом сердцевина остается вязкой и изделие воспринимает ударные нагрузки.

39. Старение. Назначение, изменение микроструктуры и свойств сплавов при старении

Отпуск и старение – это разновидности термической обработки, в результате которой происходит изменение свойств закаленных сплавов.

Термин отпуск принято применять только к тем сплавам, которые были подвергнуты закалке с полиморфным превращением, а термин старение – в случае закалки без полиморфного превращения (после такой закалки фиксируется пересыщенный твердый раствор).

Цель отпуска стали – улучшение ее свойств. Отпуск стали смягчает действие закалки, уменьшает или снимает остаточные напряжения, повышает вязкость, уменьшает твердость и хрупкость стали. Отпуск производится путем нагрева деталей, закаленных на мартенсит до температуры ниже критической.

В отличие от отпуска после старения увеличиваются прочность, твердость, уменьшается пластичность.

Главный процесс при старении – это распад пересыщенного твердого раствора, который получается в результате закалки.

Таким образом, старение сплавов связано с переменной растворимостью избыточной фазы, а упрочнение при старении происходит в результате дисперсных выделений при распаде пересыщенного твердого раствора и возникающих при этом внутренних напряжений.

В стареющих сплавах выделения из пересыщенных твердых растворов встречаются в следующих основных формах: тонкопластинчатой (дискообразной), равноосной (обычно сферической или кубической) и игольчатой. Энергия упругих искажений минимальна для выделений в форме тонких пластин – линз. Основное назначение старения – повышение прочности и стабилизация свойств.

Различают старение естественное, искусственное и после пластической деформации.

Естественное старение – это самопроизвольное повышение прочности (и уменьшение пластичности) закаленного сплава, которое происходит в процессе его выдержки при нормальной температуре. Нагрев сплава увеличивает подвижность атомов, что ускоряет процесс.

Твердые растворы при низких температурах чаще всего распадаются до стадии образования зон. Данные зоны являются дисперсными областями, которые обогащены избыточным компонентом. Они сохраняют ту кристаллическую структуру, которую имел первоначальный раствор. Зоны носят название в честь Гинье и Престона. При использовании электронной микроскопии данные зоны можно наблюдать в сплавах Al – Ag, которые имеют вид сферических частиц диаметром ~10А. Спалавы Al – Cu имеют зоны-пластины, которые имеют толщину Продолжение на ЛитРес

2. ВЕТЕР В СТАЛИ

Термическая обработка готовых изделий

Термическая обработка готовых изделий Термическая обработка проводится с готовой уже поковкой и служит для того, чтобы изменить структуру металла. От правильного ее выполнения зависит качество изделия и его долговечность.ЗакалкаОна предназначена для придания

Окрашивание драгоценными металлами

Окрашивание драгоценными металлами Для такого декорирования изделий из стекла и искусственного хрусталя используют особым способом приготовленные из драгоценных металлов (серебро, золото и платина) препараты: растворы и порошки.Так называемое глянцевое золото (10 %-ный

2. Стали: классификация, автоматные стали

2. Стали: классификация, автоматные стали Стали служат материальной основой машиностроения, строительства и других отраслей промышленности. Стали являются основным сырьем для производства листового и профильного проката.По способу производства стали разделяют на

6. Химико—термическая обработка: цементация, нитроцементация

6. Химико—термическая обработка: цементация, нитроцементация Для изменения химического состава, структуры и свойств поверхностного слоя деталей осуществляется их тепловая обработка в химически активной среде, называемая химико—термической обработкой. При ней

7. Химико—термическая обработка: азотирование, ионное азотирование

7. Химико—термическая обработка: азотирование, ионное азотирование Химико—термическая обработка – азотирование применяется с целью повышения твердости поверхности у различных деталей – зубчатых колес, гильз, валов и др. изготовленных из сталей 38ХМЮА, 38ХВФЮА, 18Х2Н4ВА,

1. Углеродистые и легированные конструкционные стали: назначение, термическая обработка, свойства

1. Углеродистые и легированные конструкционные стали: назначение, термическая обработка, свойства Из углеродистых качественных конструкционных сталей производят прокат, поковки, калиброванную сталь, сталь—серебрянку, сортовую сталь, штамповки и слитки. Эти стали

Термическая обработка

Термическая обработка Термической обработкой называется процесс тепловой обработки, суть которого в нагреве стекла до определенной температуры, выдержке при этой температуре и последующем охлаждении с заданной скоростью с целью изменения или свойств стекла, или формы

6. Термическая обработка ювелирных сплавов. Общие положения

6. Термическая обработка ювелирных сплавов. Общие положения Термическая обработка включает следующие основные операции: отжиг, закалку, старение и отпуск (для черных металлов). Применение того или другого вида термообработки диктуется теми требованиями, которые

6.1. Термическая обработка литейных сплавов

6.1. Термическая обработка литейных сплавов Согласно классификатору ювелирных сплавов (рис. 3.36) основными являются благородные сплавы на серебряной, золотой и платиновой основах, а также медные, алюминиевые и цинковые сплавы. Преимущественными операциями термообработки

13. Термическая обработка ювелирных сплавов

13. Термическая обработка ювелирных сплавов Основной вид термической обработки ювелирных сплавов – рекристаллизационный отжиг. Он назначается или как промежуточный этап между операциями холодной пластической деформации, или как заключительный – для того, чтобы

13.1. Термическая обработка сплавов на основе серебра

13.1. Термическая обработка сплавов на основе серебра Термически обрабатываются сплавы системы Ag – Си, так как медь ограниченно растворима в серебре и ее растворимость изменяется с температурой.Режим термообработки состоит в закалке сплава с температурой 700 °C в воде с

13.2. Термическая обработка сплавов на основе золота

13.2. Термическая обработка сплавов на основе золота Двойные сплавы золото – серебро термически не упрочняемые, так как серебро и золото неограниченно растворимы в твердом состоянии.Тройные сплавы системы Au – Ag – Си упрочняются термической обработкой. Эффект упрочнения

41. Конструкционные стали: строительные, машиностроительные, высокопрочные. Инструментальные стали: стали для режущего инструмента, подшипниковые, штамповые

41. Конструкционные стали: строительные, машиностроительные, высокопрочные. Инструментальные стали: стали для режущего инструмента, подшипниковые, штамповые Углеродистые инструментальные стали У8, У10, У11,У12 вследствие малой устойчивости переохлажденного аустенита

Диффузионной металлизацией принято называть метод обработки сталей либо других металлов и сплавов, при которой поверхностный слой изменяется внедрением молекул других элементов. Все это происходит при очень высоких температурах в специальной среде. Результатом такой обработки является физическое укрепление слоя, а также повышение его жаростойкости, увеличение сопротивляемости процессу коррозии – поверхность менее изнашивается во время эксплуатации.

В отличие от нитроцементации и цианирования, где атомы углерода с азотом непосредственно внедряются в кристаллическую решетку стали, диффузионная металлизация предполагает более сложный процесс, когда атомы других элементов образуют со сталью так называемые растворы замещения, поэтому такой процесс длительный и требует применение более высоких температур, превышающих 1000 градусов по Цельсию.

Методы насыщения

Твёрдая диффузионная металлизация

Металлизатором является ферросплав с добавлением хлористого аммония (NH4Cl). В результате реакции металлизатора с HCl или Cl2 образуются летучие соединения хлора с металлом (AlCl3, CrCl2, SiCl4 и так далее), которое в результате контакта с металлической поверхностью диссоциирует с образованием свободных атомов.

Жидкая диффузионная металлизация

Данный вид металлизации проводят погружением детали в расплавленный металл, если диффундирующий металл имеет низкую температуру плавления.

Газовая диффузионная металлизация

Проводят в газовых средах, состоящих из галогенных соединений диффундирующего элемента. Газовая диффузионная металлизация осуществляется в муфельных печах или в печах специальной конструкции при 700…1000 °С. Газовая фаза может генерироваться на расстоянии от поверхности насыщения (бесконтактный способ), или же в зоне контакта источника активной фазы с поверхностью металла (контактный способ).

Описание технологии и ее назначение

Метод диффузионной металлизации позволяет получить обработанную толщину слоя стали от 10 микрон до 3 миллиметров. Вне зависимости от того, каким металлом насыщают поверхностный слой носителя, технология получения имеет несколько сходных этапов:

Физическая очистка детали, которая будет подвержена диффузионной металлизации. На этом этапе с поверхности удаляются любая грязь, пыль, жировые образования и слой окисла.
Помещение изделия в рабочую среду. Это может быть окунание в жидкий расплав, засыпка металлсодержащими порошками, распыление металла на поверхность детали.
В некоторых случаях, как при диффузии алюминия, присутствует этап нанесения жаропрочного покрытия поверх распыленного на заготовку расплава.
Помещение внутрь специальной печи, где создается высокая температура, иногда превышающая 1000 градусов по Цельсию. На этом этапе под термическим воздействием печи атомы проникают в поверхностный слой изделия, что может длиться очень долго.
После обработки деталь достают из бокса, промывают, проводят удаление остатков порошка.

Чтобы заготовка имела хороший вид (особенно это касается металлизации декоративных элементов), ее следует подвергнуть дополнительной обработке методом механической полировки.

Виды диффузионного насыщения металлами

Наиболее распространёнными видами диффузионного насыщения металлами являются:

алюмирование
(или алюминирование, насыщение алюминием), используется для деталей, работающих при высоких температурах;
диффузионное хромирование
(насыщение хромом) используют для деталей и полуфабрикатов из стали, сплавов на основе никеля, молибдена, ниобия, меди и других элементов;
борирование
(насыщение бором), обеспечивает высокую твёрдость (1800…2000 HV), износостойкость и стойкость против коррозии в разных средах;
силицирование
(насыщение кремнием);
бериллизация
(насыщение бериллием), обеспечивает для сталей повышение твёрдости, жаростойкости при 800–1100 °С и коррозионной стойкости.

Достоинства диффузионного насыщения металлов

Поверхность диффузионно-металлизированной детали обладает высокой жаростойкостью, поэтому жаростойкие изделия изготавливают из простых углеродистых сталей с последующим алитированием, хромированием и силицированием. Исключительно высокой твёрдостью (до HV 2000) и высоким сопротивлением абразивному износу обладают борированные слои, вследствие образования на поверхности высокотвёрдых боридов железа – FeB и Fe2B; однако борированные слои очень хрупкие. Сульфидирование – поверхностное насыщение стали серой. Для режущего инструмента стойкость повышается в 2–3 раза.

Диффузионная металлизация

Диффузионная металлизация –

химико-термическая обработка, при которой поверхность стальных изделий насыщается различными элементами: алюминием, хромом, кремнием, бором и др.

При насыщении хромом процесс называют хромированием

,
алюминием – алитированием, кремнием – силицированием, бором – борированием.
Диффузионную металлизацию можно проводить в твердых, жидких и газообразных средах.

При твердой диффузионной метализации

металлизатором является ферросплав с добавлением хлористого аммония (
NH4Cl
). В результате реакции металлизатора с
HCl
или
CL2
образуется соединение хлора с металлом (
AlCl3, CrCl2, SiCl4
), которые при контакте с поверхностью диссоциируют с образованием свободных атомов.

Жидкая диффузионная металлизация

проводится погружением детали в расплавленный металл (например, алюминий).

Газовая диффузионная металлизация

проводится в газовых средах, являющихся хлоридами различных металлов.

Диффузия металлов протекает очень медленно, так как образуются растворы замещения, поэтому при одинаковых температурах диффузионные слои в десятки и сотни раз тоньше, чем при цементации.

Диффузионная металлизация – процесс дорогостоящий, осуществляется при высоких температурах (1000…1200oС

) в течение длительного времени.

Одним из основных свойств металлизированных поверхностей является жаростойкость, поэтому жаростойкие детали для рабочих температур 1000…1200oС

изготавливают из простых углеродистых сталей с последующим алитированием, хромированием или силицированием.

Исключительно высокой твердостью (2000

HV) и высоким сопротивлением износу из-за образования боридов железа (
FeB, FeB2
) характеризуются борированные слои, но эти слои очень хрупкие.

1.Почему при высокотемпературном цианировании сталь в большей степени насыщается углеродом, а при низкотемпературном — азотом?

2.Преимущества цианирования по сравнению с цементацией и азотированием.

3. Какие стали можно цементировать?

4. Почему при азотировании поверхность стали получает очень высокую твёрдость и износоустойчивость?

5.Преимущества азотирования по сравнению с цементацией. Недостатки его.

6.Что произойдёт, если при цементации детали будут касаться друг друга?

7.Выше какой критической точки ведётся нагрев стали при цементации?

8. Чем объясняется высокая твёрдость цементированного слоя?

9. В результате каких способов диффузной металлизации снижается трение?

10. В результате какой обработки можно повысить долговечность измерительных инструментов?

1.Используя диаграмму Fe-Fe3C и зная, что цементация проводилась при температуре 930 0С, нарисуйте схему изменения структуры от поверхности к середине после охлаждения детали, если исходное содержание углерода в стали было 0,2 %, содержание углерода в поверхностном слое 1,0 %.

2. Ответственное изделие было изготовлено из крупнозернистой углеродистой стали с 0,15 % С. Подумайте, какой режим термообработки обеспечит оптимальные свойства изделия, если цементация проводилась при 950 0С и содержание углерода в поверхностном слое 0,9 %.

Недостатки диффузионного насыщения металлов

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, и его проводят при высоких температурах (1000–1200 °C) длительное время. Только особые свойства слоя и возможность экономии легирующих элементов при использовании процессов диффузионной металлизации обусловили некоторое их применение в промышленности.

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.

При помощи диффузионной металлизации можно насытить поверхностный слой стали или другого металла практически любым из диффундирующих элементов, получая при этом более крепкий, износоустойчивый, жаропрочный и химически устойчивый слой.

Описание технологии и ее назначение

Физическая очистка детали, которая будет подвержена диффузионной металлизации. На этом этапе с поверхности удаляются любая грязь, пыль, жировые образования и слой окисла.
Помещение изделия в рабочую среду. Это может быть окунание в жидкий расплав, засыпка металлсодержащими порошками, распыление металла на поверхность детали.
В некоторых случаях, как при диффузии алюминия, присутствует этап нанесения жаропрочного покрытия поверх распыленного на заготовку расплава.
Помещение внутрь специальной печи, где создается высокая температура, иногда превышающая 1000 градусов по Цельсию. На этом этапе под термическим воздействием печи атомы проникают в поверхностный слой изделия, что может длиться очень долго.
После обработки деталь достают из бокса, промывают, проводят удаление остатков порошка.

Чтобы заготовка имела хороший вид (особенно это касается металлизации декоративных элементов), ее следует подвергнуть дополнительной обработке методом механической полировки.

Виды диффузионной металлизации

Классификацию видов диффузионной металлизации можно провести по нескольким признакам. В первую очередь по типу металла, который будет посредством диффузии проникать внутрь поверхностного слоя. Здесь выделяют:

Алитирование, когда термохимическим способом деталь насыщают атомами алюминия.
Хромирование – диффузионное насыщение стали атомами хрома.
Титанирование – внедрение атомов титана в поверхностный слой стали.
Цинкование, когда термохимическим способом металлическую деталь насыщают элементарными частицами цинка.
Силицирование – диффузионное насыщение стали кремнием.
Борирование – получение высокопрочного поверхностного слоя металла путем внедрения туда атомов бора диффузионным способом.

По состоянию среды, где протекает обработка металла диффузионным способом, металлизация проводится:

в твердой среде;
в жидкой среде;
в газообразной среде.

Твердая металлизация

Этот тип металлизации проводят посредством использования активной твердой среды на основе ферросплавов. Под эту категорию подпадают ферросилиций, ферроалюминий, феррохром (перечисленные компоненты вводят в рабочую область как порошки), плюс к ним еще добавляют аммоний хлористый (NH4Cl), не превышающий 5% от общей массы твердого компонента. Засыпанные порошком детали помещают внутрь специальной печи. Насыщение в твердой среде проводят для стали, кобальта, никеля, титана и других металлов при температуре от 1000 до 1500 градусов по Цельсию.

При повышении температуры до рабочего уровня аммоний хлористый начинает вступать в реакцию с ферросплавом, результатом чего является выделение нестойких термических хлоридов металла CrCI2, AlCI3, SiCI4 и других. Эти хлориды, соприкасаясь со стальной поверхностью, начинают диссоциировать. Выделяется химически активный элемент, который проникает в поверхностный слой изделия, насыщая его.

Жидкая металлизация

Диффузионное насыщение в жидкой среде применяют, когда необходимо провести цинкование, хромирование, меднение, алитирование. Для этого используют так называемые ванны-печи, куда помещен расплав, который будет диффундировать, либо соль этого металла. Необходимые для обработки детали помещают в эту жидкую среду при температуре от 800 до 1300 градусов по Цельсию.

Жидким методом можно осуществить диффузионную металлизацию одновременно несколькими элементами. При комплексной металлизации получают такие типы покрытия, как хромоникелирование, хромоалитирование, хромотитанирование.

Газовая металлизация

Диффузию газовой средой проводят для стали и других металлов такими элементами, как молибден, хром, алюминий, титан, ниобий, вольфрам. Химические газообразные соединения этих элементов при соприкосновении с основным металлом вступают с ним в реакцию, и результатом этого является диффузия. Газовой средой обычно выступают галогениды металлов, атомы которых должны проникнуть внутрь поверхностного слоя металлического изделия.

Металлизацию газовую проводят в печах муфельного типа или в специализированной конструкции, где поддерживается температура порядка 700–1000 градусов по Цельсию.

Процесс диффузионной металлизации сопряжен с опасными для здоровья факторами, поэтому следует придерживаться правил техники безопасности и применять средства индивидуальной защиты.

Плюсы и минусы диффузионного насыщения металлов

Применяя диффузионную металлизацию, в поверхностный слой металлического изделия можно внедрить практически любой диффундирующий элемент – это следует отнести к положительным аспектам метода.

Отрицательные же аспекты, которые не позволяют широко использовать такую обработку на предприятиях, следующие:

скорость диффузии очень мала и требует многих часов обработки;
поддержание высоких температур ведет к серьезным затратам энергии;
из-за повышенного нагрева деталь подвергается деформации;
полученный слой уступает по показаниям защиты слоям, получаемым менее затратными методами, например нитроцементацией.

Методы насыщения

Твёрдая диффузионная металлизация

Жидкая диффузионная металлизация

Газовая диффузионная металлизация

Описание технологии и ее назначение

Физическая очистка детали, которая будет подвержена диффузионной металлизации. На этом этапе с поверхности удаляются любая грязь, пыль, жировые образования и слой окисла.
Помещение изделия в рабочую среду. Это может быть окунание в жидкий расплав, засыпка металлсодержащими порошками, распыление металла на поверхность детали.
В некоторых случаях, как при диффузии алюминия, присутствует этап нанесения жаропрочного покрытия поверх распыленного на заготовку расплава.
Помещение внутрь специальной печи, где создается высокая температура, иногда превышающая 1000 градусов по Цельсию. На этом этапе под термическим воздействием печи атомы проникают в поверхностный слой изделия, что может длиться очень долго.
После обработки деталь достают из бокса, промывают, проводят удаление остатков порошка.

Чтобы заготовка имела хороший вид (особенно это касается металлизации декоративных элементов), ее следует подвергнуть дополнительной обработке методом механической полировки.

Виды диффузионного насыщения металлами

Наиболее распространёнными видами диффузионного насыщения металлами являются:

алюминирование
(насыщение алюминием), используется для деталей, работающих при высоких температурах;
диффузионное хромирование
(насыщение хромом) используют для деталей и полуфабрикатов из стали, сплавов на основе никеля, молибдена, ниобия, меди и других элементов;
борирование
(насыщение бором), обеспечивает высокую твёрдость (1800…2000 HV), износостойкость и стойкость против коррозии в разных средах;
силицирование
(насыщение кремнием);
бериллизация
(насыщение бериллием), обеспечивает для сталей повышение твёрдости, жаростойкости при 800–1100 °С и коррозионной стойкости.

Восстановление деталей диффузионной металлизацией

Диффузионная металлизация является разновидность химико-термической обработки сталей, в процессе которой на поверхности изделий образуется диффузионный слой, насыщенный различными металлами. В качестве насыщающих элементов применяют хром, титан, вольфрам, никель и другие металлы.

В сочетании с углеродом, бором, азотом или кремнием образуются карбидные, боридные, нитридные или силицидные покрытия, отличающиеся уникальными физико-механическими, теплофизическими, кристаллохимическими и другими свойствами. Диффузионная металлизация обеспечивает большее изменение линейных размеров деталей, чем при химико-термической обработке традиционных видов, что обусловило ее большее применение при восстановлении изношенных деталей. Большой вклад в развитие диффузионной металлизации применительно к восстановлению деталей внесли ученые МГАУ под руководством профессора Бугаева В. Н.

На рис 1 показано изменение размеров стальных валов диаметром 9 мм в зависимости от температуры при комплексном насыщении бором и никелем из смеси состава, % мас: 80 (60B4C + 40Al2O3) + 20Ni. Приращение линейных размеров по сравнению с борированием увеличилость в 1,5…2 раза .

Изменение линейных размеров деталей представляет собой сумму двух составляющих

где ∆d1 – изменение размера из-за образования на поверхности детали диффузионного слоя толщиной δ;

∆d2 – изменение размера и геометрической формы изделия из-за структурных фазовых превращений в сердцевине материала (детали).

Значение ∆d2 зависит от химического состава стали, вида предварительной термической обработки, скорости нагрева и охлаждения контейнера в процессе диффузионной металлизации, вида и режимов термической обработки после насыщения, исходной формы и геометрических размеров деталей.

Если восстанавливаемые детали были подвергнуты предварительной термической обработке, а после насыщения охлаждались с малой скоростью, то значением ∆d2 пренебрегают.

Изменение линейных размеров деталей (толщина диффузионного слоя) зависит от следующих факторов: вид получаемого покрытия, режимы и способы насыщения, свойства насыщаемого металла.

Для карбидных покрытий значение ∆d находится в пределах (0,85…0,9) δ. Для них характерны небольшие толщины диффузионного слоя. Для комплексных боридных покрытий значение ∆d составляет (0,15…0,6) δ и зависит от режимов насыщения (температуры и времени).

На рис 2 показана зависимость толщины диффузионного слоя δ и линейных размеров деталей ∆d после парофазного хромирования в вакууме от времени насыщения при постоянной температуре 1200 °С.

Различают методы диффузионного насыщения из твердой (твердофазный), жидкой (жидкофазный), газовой (газофазный) и паровой (парофазный) фаз. Отличительным признаком является характеристика активной фазы (или среды), содержащей диффундирующий элемент. Наибольшее распространение при восстановлении получили газофазный и парофазный методы.

Газофазный метод заключается в насыщении поверхности материала изделия диффундирующим элементом, который входит в состав газа как химического соединения. Насыщающий элемент в атомарном виде образуется в результате химических реакций, которые протекают или в объеме реакционного пространства, или на поверхности изделия. В качестве активного газа чаще всего применяют галогениды насыщающих элементов, например при хромировании: CrCl2, CrF2, CrJ2 и др.

В зависимости от близости газовой фазы к насыщаемой поверхности различают контактный или неконтактный способ. При контактном способе газовая фаза генерируется в непосредственной близости от насыщаемой поверхности, из порошка вещества, содержащего диффундирующий элемент. Например, для хромирования сталей используют порошки хрома или малоуглеродистого феррохрома.

Рис 1. Зависимость приращения линейных размеров образцов при диффузионной металлизации от температуры за 4 ч в смеси состава, % мас: 80 (60В4С + 40А12О3) + 20Ni

Рис 2. Зависимость толщины диффузионного слоя (билинейных размеров (2) образцов от времени парофазного хромирования стали ХВГ при температуре 1200 °С (глубина вакуума 1,33 ∙ 10-1 Па)

Галлоидные газы (НО, HF, HJ, НВг и др.) получают в результате добавления в порошок аммонийной соли (NH4C1, NH4F, NH4 и др.). При неконтактном способе газовая фаза (галоге-нид хрома) генерируется на некотором расстоянии от изделия.

Парофазный метод насыщения реализуют контактным и неконтактным способами. При контактном способе частицы (порошок) насыщающего элемента находятся в контакте с изделием и при нагреве реакционного пространства упругость паров насыщающего элемента выше и глубина насыщения больше, чем при неконтактном способе. При неконтактном способе частицы насыщающего вещества находятся на некотором расстоянии от обрабатываемой поверхности, глубина насыщения меньше, однако образуется более качественное покрытие.

Большое распространение получило хромирование сталей из паровой фазы в вакууме. При этом методе предотвращается окисление детали, понижается температура испарения хрома, повышается упругости его паров в реакционном пространстве, что интенсифицирует процесс хромирования.

Контактные способы парофазного или газофазного метода диффузионного насыщения наиболее просты, не требуют специального оборудования, обеспечивают достаточно высокое качество покрытий и легко реализуемы в производственных условиях.

Основные технологические операции газового способа (например, хромирования): подготовка насыщающей смеси и изделий; упаковка изделий в контейнер; нагрев контейнера; извлечение контейнера из печи; охлаждение контейнера и его распаковка; очистка поверхности обработанных изделий. Насыщающую смесь готовят из следующих порошков: вещества, содержащего диффундирующий элемент; инертной добавки, предотвращающей спекание частиц активной составляющей с поверхностью детали и контейнера; активатора (аммонийные соли). Инертными добавками являются оксид алюминия (глинозем), речной песок и шамот.

Все компоненты смеси для удаления влаги перед смешиванием просушивают или прокаливают (глинозем). Состав смеси может быть различным, например, для хромирования углеродистых сталей применяют смесь состава, % мас.: хром Х97 – 70, глинозем (А12О3) – 27 и хлорид аммония (NH4C1) – 3.

Порядок упаковки контейнера следующий. На дно контейнера 1 (рис 3), изготовленного из обычной или жаростойкой стали, насыпают смесь 2 равномерным слоем толщиной 25…30 мм. Затем укладывают детали 3 и засыпают их смесью. Расстояние между деталями в слое, а также между деталями и стенкой контейнера должно быть не менее 15 мм. Аналогично укладывают следующий ряд деталей.

Рис 3. Схема упаковки контейнера с плавким затвором: 1 – контейнер; 2 – смесь; 3 – деталь; 4 – стальная прокладка; 5 – слой песка; 6 – плавкий затвор

Толщина последнего слоя смеси должна быть не менее 30 мм. Засыпаемую смесь слегка утрамбовывают встряхиванием. Для герметизации реакционного пространства контейнера используют плавкий затвор. Для этого на последний слой смеси укладывают прокладку 4, насыпают слой речного песка 5, а затем измельченное натросиликатное стекло слоем толщиной 5…10 мм с температурой плавления в интервале 600…800 °С и малой скоростью испарения при рабочей температуре 950…1200 °С.

При парофазном хромировании в вакууме контейнер не герметизируют. В контейнер засыпают не смесь, а гранулированный хром с размером частиц 0,3…0,5 мм.

Для нагрева контейнеров с плавким затвором применяют нагревательные печи сопротивления с окислительной атмосферой, обеспечивающие рабочую температуру в интервале 950…1200 °С, например печи СНО-4.8.5/13-И1. Контейнеры без плавкого затвора при парофазном методе насыщения нагревают в вакуумных печах СШВ-0.6.2/16-И2, СНВЭ-1.3.1/16-ИЗ в зависимости от размера обрабатываемых изделий.

Остальные технологические операции диффузионной металлизации по своему содержанию аналогичны процессу цементации сталей.

Диффузионной металлизации подвергают детали из сплавов на основе меди (бронзы, латуни). Широкое распространение нашел способ насыщения поверхности изделий цинком. В этом случае детали укладывают в контейнер и засыпают порошком следующего состава (в массовых частях) порошок цинка – 100, глина огнеупорная (или оксид алюминия Al2O3) – 28 и хлорид аммония NH4C1 – 7. Цинковый порошок просеивают сквозь сито с 650 отверстиями на 1 см2. Перед употреблением инертные добавки просушивают. Детали (например, втулки верхней головки шатуна) упаковывают в контейнер, куда засыпают приготовленную насыщающую смесь. Контейнер плотно закрывают крышкой. Его герметизация достигается за счет специальных кронштейнов, винтов и прокладки из асбеста. Плавкий затвор не применяют, поскольку используемое для этого стекло плавится при температуре 700…800 °С, а процесс же цинкования происходит при температуре 650…700 °С. При рабочей температуре контейнер выдерживают 1,5…2,5 ч. Охлаждают контейнер в печи. Изменение размеров втулок из бронзы БрОЦ5-С5 составляет 0,5…1 мм. После насыщения втулки протачивают.

Для повышения твердости покрытия и износостойкости, а также увеличения приращения размеров в насыщающую смесь добавляют легирующие вещества (феррохром, ферротитан, композитные порошки на основе железа или никеля и др.).

Достоинства диффузионного насыщения металлов

Недостатки диффузионного насыщения металлов

Читайте также: