Классификация химико-термической обработк

   Строение диффузионного  слоя: на стали 10: α-Fe, основной металл – феррит и перлит; На стали У7: (Cr,Fe)₇ C₃  , мартенсит отпуска – после хромирования и последующей закалки ТВЧ с самоотпуском.

  Диффузионное хромирование  применяют для деталей паросилового  оборудования, пароводяной арматуры, клапанов, вентилей, патрубков, а  также деталей, работающих на  износ в агрессивных средах.

 

3. Диффузионное силицирование стальных деталей.

Диффузионным силицированием называется насыщение поверхности деталей  кремнием.

  Назначение силицирования: повышение кислотостойкости; коррозионной стойкости в морской воде; в HNO₃, HCl, H₂SO₄; повышение жаростойкости (800 – 1000 ºC); стойкости против износа, повышение антифрикционных свойств, связанных с понижением коэффициента трения

Рис 7

 

Диаграмма состояния  Fe – Si

  В промышленности применяют следующие методы силицирования:

  1. В порошковых смесях  (60 % ферросилиция, 39% Al₂O₃ или каолина и 1 % NH₄Cl).  

  2. В жидкой среде, с электролизом или без электролиза в ванне из расплавов силикатов щелочных и щелочноземельных металлов – 50 % BaCl₂ + 50 % NaCl с добавлением 20 % порошка ферросилиция , или в электролите.

  3. В газовой среде.

Наиболее часто в промышленности применяют газовое силицирование  в печах с вращающимися ретортами, в которые загружают детали и  куски ферросилсция или карбида  кремния. Через реторты непрерывно пропускают хлор, который взаимодействует с Si и образует SiCl₄:

SiCl₄ + Si = 2SiCl₂; 2SiCl₂ + χFe = Fe_χ Si + SiCl₄;     2SiCl₂ → Si + SiCl₄

                                                                                         ↓

                                                                                        Fe

   В результате газового силицирования при 1000 ºC в течение 2 – 4 ч образуется диффузионный слой толщиной 0,5 – 1 мм. Концентрация кремния Si на поверхности – до 14 %. Этот слой – твёрдый раствор замещения Si в α-Fe (Рис 7) весьма хрупок, имеет небольшую твёрдость. Под диффузионным слоем часто наблюдается слой перлита, что объясняется оттеснением углерода из диффузионного слоя вследствие пониженной растворимости углерода в кремнистом феррите.

  Силицированный слой отличается  повышенной пористостью.

  Несколько повышается износостойкость  деталей, они приобретают высокое  сопротивление коррозии в обычной и морской воде, азотной, серной и соляных кислотах. Несмотря на низкую твёрдость (200 – 300 HV) ульфоцианиров слой обладает повышенной износостойкостью после предварительной пропитки маслом. Силицирование резко повышает жаростойкость молибдена, вольфрама и некоторых сложных сплавов на их основе.

  Силицированию подвергаются  детали, применяемые в химической, бумажной и нефтяной промышленности (валики насосов, трубопроводы, арматура, болты, гайки и т. д.).

 

4. Диффузионное сульфоцианирование (сульфидирование) стальных деталей..

  Сульфоцианирование – процесс  поверхностного насыщения стальных  и чугунных деталей одновременно азотом, углеродом и серой. Этот вид ХТО эффективен лишь в определённых условиях работ, как средство против образования задиров при трении с большими нагрузками и при недостатке смазки.

  Сульфоцианирование значительно  облегчает притирку деталей.

  Сульфоцианированными деталями  часто удаётся заменять бронзовые детали, работающие на трение (подшипники и др.)

  В основном, применяют «жидкое»  Сульфоцианирование:

1). В расплаве ядовитых цианистых солей NaCN, KCN, применяются за рубежом.

      2). НИИТавтопромом были разработаны составы ванн, составляющие которых в исходном состоянии не ядовиты. Такие ванны используются на отечественных заводах.

Исходные составляющие такой ванны: 45 % K₂CO₃ и 55 % CON₂H₄ . В расплав солей каждые 6 ч добавляют Na₂S. Для освежения в ванну регулярно добавляют CON₂H₄ .

  Рабочий состав такой ванны:  30 – 90 % KCNO и 0,2 – 2,5 % S.

  Продолжительность процесса 1,5 ч при  560 – 580 ºC .

  На поверхности стальных  и чугунных изделий в ваннах  указанного состава или аналогичных образуется по существу цианированный слой толщиной 0,1 – 0,2 мм, обогащённый не только углеродом и азотом, но и серой. Сера концентрируется главным образом в самой поверхностной зоне толщиной не более 0,010 – 0,020 мм, где её содержание доходит до 2 %. Образуется плёнка сернистого железа или (по другим источникам) плёнка сложного соединения серы, азота, углерода и железа. В более глубоких зонах слоя обнаруживается лишь небольшое повышение содержания серы.

  3). Для низкотемпературного сульфоцианирования деталей предложена ванна, состоящая из 90 % KCNS и 10 % NH₄CNS.

  Обработка ведётся при 100 – 200 ºC в течение 1 ч. При этом образуется слой толщиной в несколько мкм с повышенным содержанием N и S, что улучшает прирабатываемость деталей.

 

5. Диффузионная бериллизация стальных деталей.

Be – металл | | А группы таблицы Менделеева, температура плавления - 1284 ºC, плотность – 1,85 г/см³, стандартный электродный потенциал Eº = -1,85 В. Кристаллическая решётка – Г 12.

  Бериллизация – диффузионное насыщение поверхности стальных деталей бериллием.

В результате бериллизации резко повышается жаростойкость (окалиностойкость) не только железа и стали, но и многих других металлов и сплавов (как при алитировании).

В ряде случаев бериллизация обеспечивает даже более высокую окалиностойкость, чем алитирование.

  В основном применяют «твёрдую»  бериллизацию – в порошкообразных смесях, состоящих из 98 – 99 % Be (или ферробериллия) и 1 – 2 % NH₄Cl или из 75 % Be (или ферробериллия), 23 % Al₂O₃ и 2 % NH₄Cl.

   Температура процесса 950 – 1050 ºC, продолжительность 4 – 10 ч. При 1050 ºC за 4 ч получается слой глубиной ≈ 2 мм с высокой поверхностной твёрдостью (для стали 10 - ≈   1000 HV₁₀, стали 45 - ≈ 1200 HV₁₀).

  Поверхностный бериллизованный слой малоуглеродистой стали состоит из внешней зоны – бериллидов железа (FeBe₂ ), лежащего  под ней α-твёрдого раствора + FeBe₂ и, наконец, зоны α-твёрдого раствора.

  У среднеуглеродистой и высокоуглеродистой  стали внешняя тонкая зона  представляет карбид Be₂C.

  Окалиностойкость металлокерамического сплава, обладающего повышенной жаропрочностью и состоящего из TiC, связанного соединением Ni₃Al, при 1250 ºC повышается после бериллизации в 20 раз (Рис 8).

Рис. 8

Зависимость привеса, мг/см₂ от времени выдержки при окислении, ч (по данным В. П. Елютина, И. Е. Мозжучина, В. И. Шулепова).

  1 – необработанный сплав, 2 – сплав, бериллизованный в  течение 30 мин при 1500 ºC в порошковой смеси. (Безвольфрамовый металлокерамический сплав системы TiC-Ni₃Al) 

 

6. Диффузионное титанирование стальных деталей.

  Назначение диффузионного титанирования  – резкое повышение коррозионной  стойкости и кислотостойкости; дополнительно:  повышение стойкости в морской  воде, атмосфере, абразивной стойкости,  износостойкости деталей машин  и инструмента. Глубина титанированного слоя  ≤ 0,3 мм.

  Методы титанирования:

1). Газовое титанирование железных листов в смеси хлорида титана и водорода при 900 – 1000 ºC (Япония). Такие листы используют, в частности, для производства термоэлектронных и других вакуумных ламп.

  2). Вакуумная плазменная технология – насыщение ионами металла и конденсированными парами титана. Ионноплазменные покрытия создаются на инструменте из сталей Р18, Х12,ХВГ и др. и твердосплавных пластинах ТН20, КХН15 и др.

  3). Жидкое титанирование – обработка стальных изделий в ванне из 80 % NaCl и 20% порошка специально выплавляемого сплава TiO_χ , содержащего 10 % (ат) O₂ или порошка титана, загрязнённого кислородом до указанной концентрации (США). Ванну расплавляют и эксплуатируют под током очищенного гелия или аргона. Этот (быстрый) способ обеспечивает хорошую коррозионную стойкость и кислотоупорность образующегося диффузионного слоя, однако проведение процесса титанирования указанным способом сложно.

  4). Электролизное титанирование в расплаве с использованием растворяемого титанового анода или путём электролиза самого расплава. В последнем случае в расплав NaCl вводят 16% K₂TiF₆ . Анод – графит; температура процесса 850 – 900 ºC, плотность тока 95 А/дм₂ , напряжение 3 – 6 В, толщина слоя 0,02 – 0,075 мм.

  5). Титанирование в порошковых смесях, содержащих медь: в порошковые смеси вводят Ni-Ni или Ni-Cu лигатуры и в качестве активатора гексафтортитанат. (Гурьев А. М., Лыгденов Б. Д., Малькова Н. Ю.). Алюминотермическое титанирование плюс титано-медная лигатура и активатор – на малоуглеродистых сталях образуются диффузионные слои, содержащие большое количество интерметаллидов, на высокоуглеродистых сталях – карбидов и интерметаллидов титана.

   6). Насыщение железа и стали, молибденом, вольфрамом, ванадием, титаном, ульфоциа, марганцем из обмазок при быстром электронагреве позволяет сократить длительность ХТО от десятков часов до минут (табл 2).

 

 

 

 

Диффузионная металлизация из обмазок  (табл. 2).

Таблица 2.

Основной материал	Диффундирующий элемент	Активная составляющая обмазки	Температура ºC	Выдержка, мин.	Метод нагрева, υн = 50 град./с	Глубина слоя, мкм
Ст5	Mo	Ферромолибден	1200	1	Т.В.Ч.	60
Армко-железо	W	Ферровольфрам	1120	2	Контактный	8
«	V	Феррованадий	1255	2	«	20
«	Zr	Порошок циркония	1205	2	«	41
Ст5	Ti	Ферротитан	1200	1	Т.В.Ч.	15
Ст5	Mn	Ферромарганец	1200	1	«	250
Армко-железо	Al	Порошок алюминия	1040	1	Контактный	167
«	Be	Порошок бериллия	1015	2	«	266

 

 

7. Диффузионное цинкование стальных изделтй.

  Назначение диффузионного цинкования: придание стальным изделиям устойчивости в атмосфере, морской и речной воде и в газовых средах, содержащих сероводород, при повышенной температуре (535 ºC)

  Методы диффузионного цинкования, применяемые в промышленности:

1). « Твёрдое (метод ТДЦ, разработанный ООО «НПО НЕОЦИНК») – в порошковых смесях. Состав смесей – порошок цинка или цинковой пыли, содержащий 75 – 90 % Zn. ТДЦ производят в печах с ретортами (контейнерами), вращающимися вокруг своей оси со скоростью 2 – 10 об./мин. Вокруг реторты расположены нагревательные элементы – ТЭНы мощностью 15 – 30 кВт. На поверхности образуется железо-цинковый сплав. Диффузионный слой состоит из нескольких, расположенных последовательно слоёв: δ-фаза (ε) (7 – 11,5 % Fe, - FeZn), Г-фаза (γ) (≤ 28 % Fe) – интерметаллическое соединение Fe₅Zn₂₁. Структура – вытянутые столбчатые кристаллы.

ТДЦ осуществляют при 350 – 480 ºC в течение 2 – 5 ч, толщина слоя – 25 – 30 мкм, твёрдость – 3360 – 5200 Мпа. Получается ровное беспористое покрытие, точно воспринимающее форму деталей, в т.ч. со сложной конфигурацией (внутренние поверхности, отверстия, резьба, щели и т. д.). Недостатком является отсутствие декоративных свойств – покрытие темно-серого цвета, без блеска.

  При обработке в ящиках  процесс цинкования протекает  в 2 – 3 раза медленнее. Для ускорения процесса порошок цинка предварительно обрабатывают соляной кислотой.

  Детали, прошедшие ТДЦ, по устойчивости в атмосферных условиях и в морской воде не уступают деталям, оцинкованным гальваническим способом, который в 2 раза дороже, чем диффузионный.

  «Сухой» процесс удобен для деталей порошковой металлургии.

  Пассивированием в растворе  состава: 150 г/л хромового ангидрида  и 50 г/л хлористого натрия дополнительно  повышают коррозионную устойчивость  диффузионного цинкованного слоя.

    2). Металлизация – распыление цинковой проволоки или порошка, расплавляемых с помощью электрической дуги или пламени сжатым воздухом.

    3). «Жидкое» цинкование – в расплавленном цинке до последнего времени является самым распространённым в промышленности. Твёрдость покрытия – 600 – 900 Мпа.

    4). Цинкование в парах цинка. (Германия). Осуществляют при 720 – 980 ºC для повышения жаростойкости в среде, содержащей сероводород. Получается слой глубиной до 0,15 мм, стойкий против воздействия сероводорода при 535 ºC ≈ в течение года. Этот метод цинкования используют для обработки регенераторов и деталей производства синтетического бензина и аммиака, теплообменников и других деталей химической промышленности.

 

 

III.  Химико-термическая обработка чугуна.