Диффузионное насыщение металлами

Диффузионное насыщение поверхностных слоев стали различ­ными металлами (алюминием, хромом, цинком, бериллием, мо­либденом и др.) применяют для защиты изделий от коррозии и повышения их жаростойкости, износостойкости и твердости.

Диффузионное насыщение осуществляется в твердых, жидких и газообразных средах. Из методов диффузионного насыщения наибольшее применение получили алитирование, хромирование и другие виды насыщения.

Алитирование стали—это поверхностное насыщение низко-углеродистой стали алюминием для повышения её коррозионной стойкости. Применяют алитирование в твёрдой, жидкой и газообразной среде, а также электролитическое алитирование.

Алитирование в твердой среде осуществляют в закрытых железных или нихромовых ящиках, в которые укладывают стальные детали и пересыпают порошкообразной смесью, состоящую из алюминия (49%), окиси алюминия или каолина (49%) и хлористого аммония (2%), играющего роль ускорителя процесса. В качестве порошкообразной смеси применяют также ферроалюминиевый сплав (99,5%) и хлористый аммоний (0,5 %). Ящики с деталями после упаковки и герметизации нагревают в камерных печах до 950-1000°С в.течение 2.. .12 ч.

Толщина алитированного слоя равна 0,1...1,0 мм. При указанных температурах хлористый аммоний диссоциирует с выделением хлористого водорода, а последний, взаи­модействуя с алюминием, образует хлористый алюминий:

NН₄С1 = NНз + НС1, 6НС1 + 2А1 =2А1С1з – ЗН₂.

Хлористый алюминий при контакте с железом диссоциирует с образованием атомарного алюминия:

AlС1з + Fе == FеС1₃ + А1aт,

который адсорбируется поверхностью изделия, а затем диффун­дирует вглубь, образуя с железом твердый, раствор. Алитированный слой обладает повышенной хрупкостью, поэтому после алитирования детали подвергают диффузионному отжигу. По­следний снижает концентрацию алюминия в поверхностном слое изделия и способствует его диффузии в глубь металла. Алитированию в твердой среде подвергают коллекторы мото­ров, Цементационные ящики, колосники, топливники газогене­раторов, пароперегревательные трубы, чехлы для термопар, электронагреватели и другие детали.

Хромирование стали — это поверхностное насыщение стали хромом для повышения твёрдости и износостойкости и придания ей высоких кислотоупорных, антикоррозонных и жаростойких свойств.

Хромированию подвергают низкоуглеродистые и легированные стали при 1000-1050 ^оС в течение 6-12 ч в зависимости от требуемой толщины упрочнённого слоя.

Различают диффузионное хромирование в твердой среде, газовое и жидкое хромирование.

Хромирование в твёрдой среде осуществляют в железных или нихромовых ящиках или трубах, в которые укладывают стальные изделия и пересыпают порошкообразной смесью, со­стоящей из феррохрома (50-55%), глинозема (45-50 %) и хлористого аммония (2...3 %). Процесс хромирования в твер­дой среде протекает при 1100-1150 °С при нагреве в камер­ных печах. При этой температуре хлористый аммоний диссоциирует с выделением хлористого водорода, который взаимодействуя с хромом, образует хлорид хрома:

NН₄С1=NНз+НС1, 2НС1+Сг=СгСl₂+Н₂.

Газообразный хлорид хрома при контакте с железом выде­ляет атомарный хром:

ЗСгСl₂+2Fе = 2FеС1з+ЗСг_ат, ,

или СгС1₂ + Fе == FеС1з+Сг_ат,,

который адсорбируется поверхностью стальных изделий, а затем диффундирует во внутренние слои. Толщина упрочненного слоя в течение 10...15 ч хромирования достигает 0,15...0,20 мм.

БЕРИЛЛИЗАЦИЯ — насыщение по­верхностного слоя металлических из­делий бериллием. Бериллизованные слои отличаются уникальным соче­танием физико-технологических и эксплуатационных св-в: малой плот­ностью, жаростойкостью, термо­стойкостью при быстрой смене температур, теплопоглощающей способностью, высокой прочностью, коррозионной стойкостью в атмосфере, стойкостью к истиранию, особыми ядерно-физи­ческими свойствами. Бериллизации подвергают по­верхности стальных (реже из др.

Защитное действие бериллидов от окисления обусловлено образовани­ем плотного поверхностного слоя на основе окиси бериллия. Диффузион­ное насыщение осуществляют: на­гревом изделий в разреженной сре­де (10^-6 мм рт. ст.) при т-ре 750— 1000° С в порошкообразных берил­лии, ферробериллии и т. п. (парофазным контактным насыщением); на­гревом изделий в восстановительной или нейтральной среде при т-ре 750—1200° С в порошковых смесях бериллия, инертной добавки окиси. алюминия, солей активаторов и пе­реносчиков — хлористого или йоди­стого аммония (газовым контактным насыщением); нагревом поверхности изделий в пастах на основе порош­ков бериллия, алюминия и кремния при т-ре 1000—1050° С в тeчение 1—2 мин (скоростным насыщением); погружением изделий в ванну с рас­плавами хлоридов, фторидов щелоч­ных металлов, солей бериллия при т-ре расплава 850—900° С или элект­ролитическим осаждением бериллия из фторидных расплавов (жидкост­ным насыщением). При контактном насыщении в качестве осн. оборудо­вания применяют электр. печь или высокочастотный нагреватель, ре­торту или контейнер с деталями и шихтой, вакуумные насосы либо устройства для подачи защитного газа, при жидкостном насыщении — электр. печь, ванну или электроли­зер с растворимым бориллиевым ано­дом. Наращивание фаз при Б. про­текает с образованием слоев различ­ной толщины и состава, в основном вследствие одностороннего продви­жения атомов бериллия через кри­сталлическую решетку бериллидов к границе раздела металл основы — покрытие и последующей твердофаз-ной хим. реакции. Узкие внутрен­ние слои состоят из очень твердых фаз с меньшим содержанием берил­лия, чем в наружных; основой на­ружных протяженных и более мяг­ких слоев служат высшие бериллиды. Толщина и состав бериллизованных слоев определяются в основном т-рой и продолжительностью процесса.

Об­работка изделий из низкоуглероди­стой стали при т-ре 600° С в течение 100 ч сопровождается образованием слоя бериллида толщиной 200 мкм, при т-ре 1250° С в течение 1 мин — слоя бериллида глубиной до 1,5 мм, Обычно же бериллизация таких изделий осуще­ствляют при т-ре 950—1100° С и вы­держке 4—10 ч, бериллизованный слой (толщиной 200—400 мкм} со­стоит из бериллидов и узких зон твердых растворов. При бериллизации изделий из высокоуглеродистой стали в по­крытии содержится также карбид бериллия. Вследствие быстрого на­грева поверхности в пастах за 1— 2 мин образуется слой толщиной 170—260 мкм. Микротвердость бериллизованных слоев стальной по­верхности 800 — 1300 кгс/мм². При бериллизации изделий из легированных ста­лей и никельхромовых сплавов типа ЖС6К наряду с

бериллидами железа образуются слои на основе фаз NiВе, СоВе и СгВе2, микротвер­дость слоев до 1500 кгс/мм². Часто применяют комплексную бериллизацию, исполь­зуя, помимо бериллия, марганец, бор, алюминий и магний (для изде­лий из сплавов типа ЖС6К), с по­лучением сложных металлидов. Бериллизацию изделий из тугоплавких, химиче­ски активных металлов также со­провождается образованием соот­ветствующих, в основном многослой­ных, бериллидных покрытий. При нагреве до т-ры 750° С большин­ство этих металлов взаимодействует с бериллием достаточно заметно.

Бериллизация дает возможность значительно снижать привес (увеличение веса на единицу поверхности) образцов при окислении. При нагреве до т-ры 1100° С в течение 500 ч привес бериллизованного сплава ЖС6К умень­шается в 8—10 раз, при нагреве до т-ры 1250° С за 40 ч — в 20 раз. Привес бериллизованной меди при нагреве до т-ры 800° С в течение 15 ч уменьшается в 150 раз, тантала при нагреве до т-ры 1000° С за 14 ч — в 200 раз, титана при выдержке на воздухе при т-ре 900° С в течение 230 ч — в три — пять раз.

Бериллизацию при­меняют в машино- и приборострое­нии, гл. обр. для обработки изделий из жаропрочных сплавов: теплоза­щитных экранов, деталей газотур­бинных двигателей, тепловыделяю­щих элементов ядерных реакторов и т. п. См. также Диффузионные покрытая.