Дифузійне насичення металами (металізація) і неметалами

Дифузійною металізацією називають процес дифузійного насичення сталі різними металами: алюмінієм, хромом, цинком. Проводять цей процес для отримання високої окалиностійкості, жаростійкості, корозійної стійкості, твердості і стійкості до зношення.

В залежності від стану середовища, в якому відбувається процес, розрізняють такі основні способи дифузійної металізації:

1) занурювання в розплавлений метал;

2) насичення з розплавлених солей, які містять дифундуючий елемент;

3) насичення із сублімованої фази випаровуванням дифундуючого елемента;

4) насичення із газової фази, що складається із галогенних сполук дифундуючого елементу.

Найбільш розповсюдженими різновидами дифузійної металізації є алітування і хромування.

Хромування – це процес насичення поверхневого шару стальних виробів хромом. Хромовані вироби мають високу окалиностійкість (до 800 ⁰С), корозійну стійкість у прісній і морській воді та азотній кислоті, а сталі з вмістом понад 0,3...0,4 % С – високі твердість та стійкість до зношення.

Дифузійний шар при хромуванні технічного заліза складається з твердого розчину хрому в α-залізі і має невисоку твердість (250...300 HV). Шар, отриманий при хромуванні сталі з вмістом понад 0,3 % C, складається з карбідів (Cr, Fe)₇ C₃ або (Cr, Fe)₂₃ C₆ і має високу твердість – 1200...1300 HV.

Хромування проводять в температурному інтервалі 1000…1050 ⁰С у порошкових сумішах, до складу яких входять ферохром (або хром), хлористий амоній та оксид алюмінію. Тривалість хромування при глибіні дифузійного шару 0,2…0,25 мм становить 6…12 год.

Хромування застосовують для деталей паросилового обладнання, пароводяної арматури, клапанів, вентилів, патрубків, а також деталей, що працюють на зношення в агресивних середовищах.

Алітування – це процес насичення поверхні сталі алюмінієм. Його проводять для отримання високої окалиностійкості (до 850...900 ⁰С), яка забезпечується утворенням на поверхні алітованих виробів щільної плівки оксиду Al₂O₃, котра запобігає окисленню металу. Алітований шар має також високу корозійну стійкість в атмосфері і морській воді.

Структура алітованого шару складається з твердого розчину алюмінію в α-залізі. Концентрація алюмінію на поверхні деталі досягає до 30 %, а товщина шару становить 200...1000 мкм. Твердість алітованого шару досягає до 500 HV, але його стійкість до зношення низька. Алітування найчастіше проводять в порошковій суміші з фероалюмінію, хлористого амонію й оксиду алюмінію при температурі в межах 950…1150 ⁰С протягом 3…12 год. Під час алітування в такій суміші відбуваються наступні процеси:

NH₄Cl → NH₃ + HCl; (8.18)

6HCl + 2Al → 2AlCl₃ + 3H₂; (8.19)

Fe + AlCl₃ → FeCl₃ + Al; (8.20)

Рідинне алітування проводять зануренням деталі у розплавлений алюміній і витримуванням її у ванні протягом 45…90 хв при 750…800 ⁰С. Товщина алітованого шару при такому режимі становить 200…350 мкм.

Алітуванню піддають пальники газогенераторних машин, клапани та інші деталі, що працюють при високих температурах.

Силіціювання – це процес насичення поверхні сталі кремнієм. Воно забезпечує високу корозійну стійкість у морській воді, в азотній, сірчаній і соляній кислотах і дещо підвищує зносостійкість.

Силіційований шар складається з твердого розчину кремнію в α-залізі. Його товщина становить 300...1000 мкм. і він характеризується підвищеною пористістю, низькою твердістю – 200...300 HV. Але після попереднього просочення маслом при 170...200 ⁰С набуває високої стійкості до зношення.

Силіціювання застосовують для обробки деталей у хімічній, паперовій, нафтовій промисловості.

Силіціюванню піддають також сплави на основі молібдену.

Борування – це процес дифузійного насичення поверхневого шару сталі бором. Борування проводять для підвищення зносостійкості, твердості, корозійної стійкості, окалиностійкості (до 800 ⁰С) і теплостійкості.

При боруванні заліза дифузійний шар складається з ромбічного боріду FeB і тетрагонального боріду Fe₂B. Під шаром борідів розміщується перехідна зона із твердого розчину бору в α-залізі. При нагріванні боріди стійкі: FeB – до 800 ⁰С, Fe₂B – до 1000 ⁰С. Хром і марганець при боруванні дифундують у зону борідів, утворюючи складні боріди (Fe, Mn, Cr)B і (Fe, Mn, Cr)₂B, які мають будову, аналогічну борідам FeB і Fe₂B відповідно.

Борідний шар звичайно має товщину 100...200 мкм і характеризується високою твердістю (1800...2000 HV) і крихкістю. Висока твердість борідного шару зберігається до 700 ⁰С, що дозволяє застосовувати борування для підвищення стійкості до зношення деталей, які працюють при високих температурах.

Боровані сталі мають високу корозійну стійкість у водних розчинах соляної, сірчаної і фосфорної кислот, а також стійкі до дії киплячих водних розчинів NaOH і KOH.

Боруванню піддають втулки нафтових насосів, деталі штампів, прес-форм і машин для лиття під тиском. Стійкість цих деталей після борування зростає у 2...10 рази.

Тема 9. ЛЕГОВАНІ СТАЛІ

Легованими називають сталі, у складі яких є легуючі елементи. А легуючими називають елементи, які спеціально вводять в сталь для отримання певних властивостей. Основними легуючими елементами в сталях є: Mn, Si, Cr, Ni, Mo, Co, Cu, Ti, V, Nb, Al, B, W.

Вартість легованих сталей значно вища вартості вуглецевих сталей тому, що легуючі елементи суттєво дорожчі за залізо (табл. 9.1.). Тому деталі з легованих сталей застосовують тільки після термічної обробки, коли використовується позитивний і враховується негативний вплив легуючих елементів на сталь.

Таблиця 9.1

Відносна вартість заліза і легуючих елементів.