Классификация химико-термической обработк

  Применяют диффузионное насыщение поверхности чугунных деталей азотом, алюминием, бором, кремнием, хромом и другими элементами на глубину 0,025 – 1,0 мм. Такой толщины слоя достаточно, чтобы существенно изменить те свойства чугуна, которые зависят, в основном, от состояния поверхностных слоёв.

1. Азотирование чугунных деталей.

  Применяют газовое, твёрдое  и жидкое азотирование чугуна  при температуре ниже 650 ºC.

Mn, Si, Mg, Cr, Mo, Ni, входящие в состав чугуна, твёрдость азотированного слоя повышают, но пластичность понижают. Al  - твёрдость повышает, пластичность не снижает.

  Для газового азотирования  применяют аммиак.

 При температуре азотирования 550 – 580 ºC за 30 – 60 ч (степень диссоциации NH₃ = 30 %) получается диффузионный слой толщиной до 0,4 мм.

  При 600 – 700 ºC, которое выполняется с целью повышения коррозионной стойкости, за 0,5 – 1 ч азотирования получается слой толщиной до 60 мкм.

  Предварительная термообработка: закалка или нормализация и  отпуск ≈ при 600 ºC.

     Азотирование магниевого чугуна (ВЧ). При 650 – 700 ºC за 12 ч получается слой с твёрдостью 500 – 600 HV.

  В Ni-Mo и Cr-Ni-Mo чугунах получается азотированный слой толщиной 0,25 – 0,45 мм меньшей твёрдости.

  Равномерность слоя по твёрдости  можно обеспечить дополнительным гомогенизирующим отжигом при 720 ºC в течение 2 – 10 ч.

  Азотирование высоконагруженных  деталей из перлитных чугунов  производится при температурах  ≤ 560 – 580 ºC. При более высоких температурах азотирования происходит сфероидизация и распад (ульфоцианир) эвтектоидного цементита, сто снижает прочность.

  Азотирование повышает твёрдость,  износостойкость, усталостную прочность  и коррозионную стойкость чугунных  деталей.

  Дробеструйной обработкой азотированных  деталей можно повысить предел  выносливости σ_-1 примерно на 35%.

 

2. Диффузионное алитирование чугунных деталей.

  Алитирование чугунных деталей  осуществляют с целью повышения  коррозионной стойкости в условиях  повышенных температур и стойкости  к «росту» чугуна.

  Применяют твёрдое, газовое и жидкое азотирование.

1). Твёрдое алитирование производят  в смеси порошков Al + Al₂O₃ + NH₄Cl при 900 – 1000 ºC в течение 6 ч.

2). Газовое алитирование производят в AlCl₃ в смеси с другими газами при  1050 ºC в течение ≤ 2 ч.

3) Жидкое алитирование выполняют  : а) – металлизацией – напылением на поверхность деталей алюминия с последующим отжигом (предварительно осуществляют обезжиривание, травление, промывку поверхности деталей); температура отжига 700 – 900 ºC , продолжительность ≤ 30 мин, толщина слоя 0,1 – 0,4 мм; б) – в расплавленном Al + флюсы (≈ 35 % NaCl, 35 % KCl, 20 % ZnCl₂, 10 % NH₃AlF₆ – для предотвращения образования Al₂O₃ на поверхности алитируемых деталей, препятствующего диффузионному насыщению алюминием).

  Оптимальные результаты получаются  при 700 – 720 ºC и выдержке 60 мин.

  Наибольшее распространение  получило твёрдое алитирование  чугунных деталей.

 

 

3. Диффузионное хромирование чугунных  деталей.

  Хромированию подвергают чугунные  детали, работающие в условиях  изнашивания, в том числе кавитационной  эрозии; при низких и высоких температурах; под нагрузкой; в средах, вызывающих химическую и электрохимическую коррозию.

  Применяют следующие способы  диффузионного хромирования:

1. Твёрдое хромирование – производится в порошке, состоящем из смеси 50 % феррохрома, 43 % Al₂O_3, 7 % NH₄Cl. При температуре 1050 ºC в течение 6 ч получается диффузионный слой толщиной 0,025 – 0,03 мм.

2. Хромирование из паровой фазы  производится в парах CrCl₂ или CrF₂ + (NH₄Br, NH₄J, NH₄F, NaCl – катализаторов). Каолин, MgO, песок, огнеупорная глина – добавляются с целью предотвращения спекания хромосодержащих частиц и прилипания их к поверхности детали.

3. Газовое хромирование осуществляется  в CrCl₃ .

  На поверхности хромированных  чугунных деталей образуется  сплошной слой карбидной фазы, состоящей из (Cr,Fe)₂₃C₆ и (Cr,Fe)₇C₃ с микротвёрдостью 18000 Мпа.

  Хромируют СЧ и ВЧ. Хромированный слой обладает достаточной вязкостью и при деформации, то есть под давлением и под другими видами нагрузок не отслаивается.

 

4. Диффузионное ульфоцианирование (сульфидирование) чугунных деталей.

  Сульфидирование чугунных деталей  производится для улучшения прирабатываемости  и износа деталей в этот  период, снижения коэффициента трения  и предотвращения образования  задиров на трущихся поверхностях.

1. Применяется жидкое сульфидирование в расплавленных ваннах (NaOH и NaCl) с добавкой активных серосодержащих солей (Na₂S, NaCNS, KCNS и др.) и катализаторов.

  При 750 ºC за 3 ч получается слой толщиной 0, 3 мм.

  Твёрдость сульфидированного  слоя равна твёрдости сердцевины.

 

5. Диффузионное силицирование чугунных деталей.

  Силицирование чугунных деталей  производят для повышения коррозионной  стойкости, жаростойкости и кислотостойкости.

  Методы силицирования аналогичны  методам хромирования. Чаще применяется  газовое силицирование – в газах SiCl₄ и SiH₄.

   В промышленности применяют  также борирование, цинкование, титанирование,  алюмо-силицирование, хромо-алитирование  и другие виды ХТО чугунных  деталей.

 

I\/. Химико-термическая обработка металлокерамических изделий.

  Металлокерамические изделия  отличаются от компактных тем,  что у них очень развита  внутренняя поверхность пор, а  контакт между частицами неполный. В связи с этим диффузионные процессы в металлокерамических изделиях протекают значительно быстрее, чем в компактных, причём скорость их тем больше, чем меньше плотность этих изделий.

  С увеличением пористости  количество поглощённого элемента  увеличивается.

  Изменяются также механические  свойства.

1). Примером могут служить следующие данные для железных металлокерамических образцов с плотностью 6,75 и 7,5 г/см³, прошедших газовое цианирование при 870 ºC – глубина слоя на образцах разнится более, чем в 2 раза (табл. 3).

Таблица 3.

Содержание в поверхностной  зоне слоя, %	Плотность – 6,75 г/см3	Плотность 7,5 г/см3
углерода	0,90 %	0,82 %
Азота	0,22 %	0,12 %
σв после закалки и низкого отпуска
До цианирования	174 Мпа	275 Мпа
После цианирования	720 Мпа (высокая прочность обусловлена большой глубиной слоя)	417 Мпа
σ0,2
До цианирования	95 Мпа	169 Мпа
После цианирования	62 Мпа	303 Мпа
δ, %
До цианирования	13 %	33, %
После цианирования	1,5 %	2 %
Твёрдость, HRA
До цианирования	--	23
После цианирования	--	73

 

  При азотировании (500 ºC, 15 ч) общее количество азота, поглощённого железными образцами с пористостью 91 % и 55 % соответственно в 90 и 190 раз больше, че компактными образцами.

  При диффузионном хромировании (1150 ºC, 2 ч) металлокерамических железных образцов повышается их прочность, пластичность и вязкость – в 2 раза, износоустойчивость – в 3 раза, коррозионная стойкость – в 8 – 10 раз.

  Так как хромирование может  быть совмещено со спеканием,  для проведения этого процесса  не требуется дополнительное время и новое оборудование.

 

2). Защита от коррозии методом электрохимического покрытия.

  В зависимости от пористости  все металлокерамические изделия  делят на 3 группы: высокопористые, плотные  и полупористые.

  Высокопористые металлокерамические  материалы не могут быть защищены  от коррозии методом электрохимического  покрытия.

  Технология электрохимического покрытия порошковых изделий с большой плотностью не имеет существенного отличия от технологии обработки изделий из компактных материалов.

  Полупористые изделия с предельно допустимой пористостью 15 % могут подвергаться электрохимическому покрытию, однако технология их покрытия имеет существенные особенности: перед обработкой с целью предупреждения попадания в поры электролита необходимо закупорить  поверхностные поры механическим или каким-нибудь другим путём.

  Механическая закупорка может производиться путём полирования поверхности стальными шариками, повторным прессованием, короткой проковкой лёгкими ударами и другими способами.

  Немеханические методы закупорки  следующие: пропитка изделий пластмассами, различными полимерами, нанесение  на поверхность гальванических покрытий до спекания и т. п.

  После закупорки пор дальнейшая  электрохимическая обработка производится  по технологии для компактных  металлов и сплавов – осаждаемый  металл ложится непрерывным слоем,  покрытие получается достаточно гладким и плотным и хорошо защищает изделие от коррозии.

 

3). Защита от коррозии пинингованием.

  Метод пинингования заключается  в покрытии поверхности изделий  пластичными коррозионностойкими  металлами. 

  Преимуществом этого метода  покрытия является отсутствие электролитов, которые могут служить причиной коррозии при попадании их в поры порошкового изделия.

  При пининговании детали  загружаются в железный барабан  с порошком покрывающего коррозионностокого  металла (бронза, латунь, цинк, олово)  и ударными телами в виде сечки стальной проволоки, стеклянных шариков и т. д. Затем в барабан заливается вода с химическими добавками, способствующим покрытию деталей частицами порошка коррозионностйкого металла. При вращении барабана в результате взаимного трения поверхность деталей обволакивается слоем защитного металла толщиной 3 – 5 мкм.

  Металлокерамические детали, обработанные  таки методом с применением  в качестве защитного металла  порошка цинка, показали лучшую  химическую стойкость, детали, покрытые  кадмием или цинком путём электролитического осаждения.

 

\/ Приложение.

1). Карбооксидирование титановых  сплавов контактным и бесконтактным  способам.

(Физико-механический институт  им. Г. В. Карпенко, Львов. С.  В. Гурын и др. МиТОМ № 10, 2004).

  Титановые сплавы (технически чистый титан ВТ 1-0, псевдо α-сплав ОТ 4 и α + β сплав ВТ 14 в виде образцов размерами 15х10х1 мм насыщали контактным и бесконтакным способами в вакууме 1,3 – 13 Па при 950 и 1000 ºC в течение 5 ч.

   Контактный способ –  в засыпке, бесконтактный  – подвешиванием образцов над поверхностью графита. Для определения влияния расстояния от насыщаемой поверхности до поверхности графита на интенсивность карбооксидирования образцы размерами 60х10х1 мм применяли метод частичного погружения образцов в графит.

  Перед обработкой образцы шлифовали до R_a = 0,4 мкм, промывали в спирте, а затем высушивали.

  Микроструктура после ХТО  исследовалась на «косых» шлифах  под микроскопом Neophot-2, микротвёрдость измеряли на ПМТ-3 при нагрузке 0,49 и 0,98 Н (5 и 10 г). Рентгеновский фазовый анализ осуществляли на дифрактометре ДРОН-3 в медном К_α излучении при напряжении 30 кВ, токе 20 мА с использованием фокусирования трубки по схеме Брег-Бреттано. Сканирование выполняли с шагом 0,05 º при выдержке в точке 4 с.

  Полученные результаты:

  После насыщения при 950 ºC из графита контактным способом в вакууме (Po₂ = 0,3 Па) на поверхности образцов образовывалась плёнка, содержащая карбооксид титана.

  При увеличении парциального давления кислорода до 3 Па поверхностная плёнка карбооксида утолщалась. В соединении TiC_χO_y увеличивалась углеродная компонента. Состав карбооксида изменялся в диапазоне TiC_0,60-0,63 O_0,37-0,-40   TiC_0,61-0,64 O_0,38-0,36 . Толщина плёнки равнялась ≈ 8 – 10 мкм.

  При насыщении образцов без  контакта с графитовой поверхностью изменялся цвет карбоксидной плёнки от серого цвета до темно-серого с зелёно-фиолетовым отливом (сплавы ВТ 1- 0 и Вт 14 (Ро₂ =0,3 Па) и серого с сине-фиолетовым отливом -- при Ро₂ = 3 Па..

  На поверхности образцов  формируется плёнка с меньшим количеством карбооксидной фазы; при Ро₂ = 3 Па её количество в поверхностном слое ещё более уменьшается.

  Состав карбоксида изменяется: % C ↓, % O ↑. Наряду с этим параметры ГПУ-решётки α-Ti (a и c)↑. Это свидетельствует о возрастании степени насыщенности поверхностного слоя углеродом и кислородом, которые образуют твёрдые растворы внедрения; c/a ↓, что свидетельствует об уменьшении насыщения углеродом (радиус атома углерода больше радиуса атома кислорода).

  Прирост массы образцов увеличивается,  что означает увеличение степени насыщения поверхностных слоёв при росте Ро₂ с 0,3 до 3 Па.