Классификация химико-термической обработк

  При  жидком без электролизном борировании  изделия погружают в расплав  нейтральной соли (BaCl₂ и NaCl), к которым примешан содержащий бор порошок. Температура борирования 950 – 1000 ºC, время выдержки 1 – 3 ч.

  Жидкое  борирование идёт интенсивнее и скорость его выше твёрдого борирования.

  Электролизное  жидкое борирование осуществляется путём электролиза расплавленной буры, катодом при этом служат изделия. Такой метод борирования используют в нефтяной промышленности для упрочнения ряда деталей, в том числе внутренних поверхностей втулок грязевых нефтяных насосов, работающих в тяжёлых условиях абразивного износа.

  Втулки  из стали 45 диаметром 220 мм, длиной 600мм и весом ≈ 100 кг подвергают электролизному борированию при 950 ºC на глубину 0,15 – 0,25 мм. Одновременно обрабатывают несколько втулок. Катодом служит сама втулка, а анодом расположенный внутри неё графитовый стержень. Борированные втулки отличаются значительно большей стойкостью в эксплуатации, чем цементованные, закалённые с нагревом ТВЧ, азотированные или прошедшие гальваническое хромирование.

  C). Газовое борирование производят: а) в газовой смеси 1ч. H₂B₆ + 25  H₂; б) BCl₃ + H₂ ; при температурах: 800 -850, 1050, 1100 ºC в течение: 2 – 6; 5; 30ч; с получением слоёв толщиной: 0,10 – 0,20; 0,035; 0,20 мм на деталях из стали 30ХГСА.

  Изделия  до борирования подвергают окончательной механической обработке, выполняя после ХТО лишь шлифовку и доводку. Метод местной защиты от борирования – гальваническое меднение с осаждением слоя меди толщиной 0,015 мм.

  Другие виды борирования:  борирование в порошковой смеси  – 50 % ферробора или B₄C, 49 % Al₂O₃, 1 % NH₄Cl на деталях из стали 30ХГСА при 900 ºC, за 20 ч получают слой толщиной 0,15 мм, а при 1000 ºC, за 10 ч -- 0,20 мм.;

D). Борирование с применением обмазки и с нагревом ТВЧ. Состав обмазки: B₄C c связующим гидролизованным этилсиликатом. При температурах 1150 – 1200 º за 2 – 3 мин на деталях из стали 45 были получены слои толщиной 0,06 – 0,12 мм.

  После борирования назначается  закалка, лучше с нагревом  ТВЧ – (в слое не образуются трещины), так как наличие под тонким твёрдым слоем (0,2 – 0,15 мм) мягкой «сердцевины» может вызвать продавливание и выкрошивание борированного слоя.

  Борированный слой низко- и среднелегированной стали состоит из боридов FeB – η- фаза (16,23 % B) – поверхностная зона слоя; Fe₂B – ε – фаза (8,83 % B) – зона слоя, примыкающая к сердцевине .Чередование структур: ε + η; α + ε.

  Глубина борированного слоя  аустенитных хромоникелевых сталей  ≤ 0,02 – 0,06 мм. Помимо высокой  твёрдости борированный слой  на этой стали обладает хорошей коррозионной стойкостью в агрессивных средах.

  Твёрдость борированного слоя  до 2000 HV (микротвёрдость) и до 1400 HV₁₀ , хрупкость высокая. Микроструктура стали 30ХГСА после электролизного борирования при 950 º в течение 1ч 15 мин и последующей закалки: FeB, Fe₂B, мартенсит (от поверхности к сердцевине).

  Борирование повышает поверхностную твёрдость, абразивную износостойкость, теплостойкость, коррозионную стойкость. Усталостная прочность понижается, Но при правильном подборе детали для борирования и условий эксплуатации (отсутствие острых углов, работа в абразивной среде) применение данного вида ХТО может оказаться весьма рациональным.

Возможность насыщения поверхности  металла бором впервые была доказана на малоуглеродистой стали русским  учёным Н. П. Чижевским в 1915 г. 

 

 

II. ХТО элементами, образующими с железом и другими металлами твёрдые растворы замещения (диффузионная металлизация).

  Диффузионная металлизация  – процесс диффузионного насыщения  поверхности стальных деталей  металлами и кремнием (полуметаллом). То есть это совокупность технологических процессов, приводящих к изменению химического состава, структуры и свойств поверхностных слоёв детали без изменения состава, структуры и свойств её глубинных слоёв. Поверхностный слой становится «сталью с особыми свойствами» -- жаростойкой, жаропрочной, коррозионностойкой, износостойкой и так далее, в зависимости от насыщающего элемента. Насыщающие элементы образуют с железом или с другими металлами твёрдые растворы замещения, механизм диффузии – вакансионный.

 

1. Диффузионное алитирование стальных деталей.

  Алитирование стали – процесс  насыщения стали (и чугуна) алюминием для повышения окалиностойкости (жаростойкости) деталей и стойкости к атмосферной коррозии и к коррозии в морской воде.

  Алитированию подвергают изделия из малоуглеродистых ствлей, реже – из среднеуглеродистых и из серого чугуна. Поверхностный  которого предварительно обезуглероживают.

   Методы алитирования.

  А. Твёрдое – в порошкообразных  смесях: 1). Ферроалюминий (30 – 50 % Fe, остальное Al);  NH₄Cl 0,5 – 1,0 %, остальное ферроалюминий. Величина зерна порошковой смеси 0,3 – 0,5 мм. 2). Ферроалюминий 60 %, Al₂O₃ (или каолин, или белая глина) 39 – 39,5 %, NH₄Cl 0,5 – 1,0 %. 3). Al 50, %, Al₂O₃ (или каолин, или белая глина) 49 – 49,5 %, NH₄Cl 0,5 – 1,0 %.

   NH₄Cl – для ускорения процесса: из ящика со смесью и деталями вытесняется воздух, образуется % AlCl₃ ;

  Al₂O₃ , каолин и белая глина – для предотвращения спекания порошка ферроалюминия или сплавления порошка Al.

  B. Жидкое – в ваннах с расплавленным Al, Состав ванн: 92 – 94 % Al, 6 – 8 % Fe. Метод применяется для алитирования инструмента (прессформ), используемого для литья цветных металлов. Металл прессформ – сталь типа 3Х2В8. При температуре алитирования 660 – 670 ºC за 60 мин. Получается слой толщиной 0,08 – 0,15 мм; при 750 ºC, за 45 мин. – 0,25 мм.

  C. Металлизация стали алюминием с последующим диффузионным отжигом.

   D. Алитирование в ваннах с расплавленными солями.

   E. Газовое алитирование.

   F.Алитирование в аэрозолях. (В реакционную камеру с вентилятором периодически вводится дозатором тонкоизмельчённая смесь Al, NaCl, и NH₄Cl, взятых в соотношении 8: 2 :1).

  В промышленности применяют,  в основном, методы алитирования A, B и C.

Из «A» чаще применяют смесь 1), в которой алитируют топливники газогенераторных тракторов и автомобилей, трубы и детали теплообменников, коллекторы тепловозов и дизелей, оборудование для термообработки и т. д.

 В ящике из железа или нихрома с габаритами 850 * 650 * 650 мм за 20 ч при 900 ºC получается диффузионный слой толщиной 0,15 – 0,25 мм; за 6 ч, при 1050 ºC 0,5 – 0,7 мм. Концентрация алюминия в диффузионном слое должна быть 40 – 50 % . Реакции многоступенчатые, в конечном результате образуется 3AlCl → 2Al + AlCl₃ . Диффузионный слой состоит из α-твёрдого раствора и химического соединения FeAl₂ ; слой отчётливо отличается от сердцевины. На стали 10 твёрдость (микротвёрдость) алитированногослоя = 400 – 450 HV. Поверхностная зона может состоять из Fe₃Al или Fe₂Al₃ и FeAl₃ .

  Алитированный слой характеризуется низкой износостойкостью и повышенной хрупкостью.

  «B» - алитирование в расплавленном алюминии выгодно отличается от алитирования в порошкообразных смесях: простотой, низкой температурой и высокой скоростью процесса. Недостатки процесса: налипание алюминия на поверхность деталей, малая устойчивость тиглей и небольшое растворение стальных деталей в алюминии. Для того, чтобы минимизировать последний недостаток в расплавленный алюминий помимо деталей вводят стальную стружку.

  Метод «C» примерно в 10 раз дешевле, чем алитирование в порошках.

  Технологический процесс состоит  из следующих операций: 1) подготовка поверхности детали пескоструйной или дробеструйной обработкой; 2) нанесение слоя алюминия толщиной 0,4 – 0,8 мм, (используют специальные электрические аппараты марок ЭМ-3 и ЭМ-6, питаемых от сварочных трансформаторов СТ-2, СТ-24, СТ-34, а также газовый металлизатор ГИМ-1); 3) нанесение обмазки для предохранения поверхности от окисления во время диффузионного отжига (состав обмазки: графит, кварцевый песок, жидкое стекло и AlCl₃ ); 4) диффузионный отжиг.

  Режим металлизации на ЭМ-3: расстояние от сопла 75 – 100 мм, напряжение дуги 25 – 30 В, сила  тока 60 – 80 А, давление воздуха  5 – 6 атм.

  Окалиностойкость углеродистых и низколегированных сталей повышается до 850 – 900 ºC, так как на алитированном покрытии образуется защитная окисная плёнка Al₂O₃.

 Повышается устойчивость при  высоких температурах в газовой  среде, содержащей H₂S, коррозионная стойкость в атмосферном воздухе, морской воде, в 3 – 5 %-ном NaCl и других нейтральных солях, в 50 %-ном растворе HNO₃ .

Рис. 5

  

 

 

Диаграмма состояния  Fe – Al

 

В γ-Fe максимальная растворимость Al = 1 %, в α-Fe – 49,3 %. В α-фазе имеет место упорядочение с образованием α₁ – Fe₃Al и α₂ -- FeAl-фаз. В системе образуются следующие химические соединения: FeAl₂ – ζ–фаза (49,13 % Al), Fe₂Al₅ – η-фаза (54,70 % Al), FeAl₃ – θ-фаза (59,17 %Al), Fe₂Al₇ (62,3 % Al). θ-фаза ниже 600 ºC распадается с образованием Fe₂Al₇ . Растворимость железа в алюминии – 0,052 % при 655 и 0,006 % при 500 ºC.

  Ю. М. Лахтин: строение алитированного  слоя – твёрдый раствор Al в α-Fe, концентрация   Al в поверхностной части слоя ≈ 30 % Al, толщина слоя 200 – 1000 мкм. Твёрдость на поверхности 500 HV, износостойкость низкая.

  Алитированию подвергают топливники газогенераторных машин, чехлы термопар, детали разливочных ковшей, клапаны и другие детали, работающие при высоких температурах.

  Структура диффузионного слоя: α + FeAl₂ , поверхность иногда может состоять из интерметаллидов Fe₃Al или смеси Fe₃Al и   Fe₂Al₅ Fe Al₃ .

ζ – зета (греч.) 

 

2. Диффузионное хромирование стальных деталей.

Диффузионное хромирование выполняют  с целью повышения коррозионной стойкости, кислотостойкости, жаростойкости, поверхностной твёрдости, износостойкости, предела выносливости (предела усталости) деталей из стали (и чугуна).

Режимы диффузионного хромирования стали (табл. 1)

Таблица 1.

Метод хромирования	Применяемые для хромирования материалы  или газовые среды	Температура хромирования, ºC	Толщина слоя, мм
В порошкообразной смеси	A) 50 % металлического хрома или феррохрома (50 – 60 меш.), 47 % глинозёма или каолина, 3 % NH4Cl.   Б) 50 % Cr или FeCr, 45 % глинозёма или каолина, 5% HCl (обрабатывают Cr или FeCr до смешивания с глинозёмом или каолином).	1050	Сталь 08 – 0,12; 45 -  - 0,025; У8 – 0,045; У10 – 0,030.
В газовой среде	Cr или FeCr, через которые пропускают HCl или смесь H2 + HCl. Изделия можно помещать отдельно от Cr или FeCr, либо пересыпать ими.	980	Сталь 10 – 0,1.
В вакууме (10-2 – 10-3 мм рт. Столба) – для мелких деталей.	Изделия засыпают кусочками (диаметром 1 – 3 мм) металлического хрома.	960	Сталь 10 – 0,1.

 

  При хромировании средне- ивысокоуглеродистой  стали в поверхностной зоне  образуется тонкий (0,02 – 0,04 мм) карбидный слой из карбидов (Cr,Fe)₂₃C₆ - очень твёрдый (твёрдость > 1300 HV). В результате повышаются износостойкость, коррозионная стойкость в водных растворах NaCl, кислотостойкость (особенно в HNO₃) и окалиностойкость – до 850 ºC.

  Диффузионный слой малоуглеродистой  стали состоит из твёрдого раствора Cr в α-Fe с твёрдостью ≤ 220 – 250 HV и характеризуется теми же свойствами, что и средне-  высокоуглеродистая сталь за исключением высокой износостойкости.

  Разработаны методы получения сложных покрытий с твёрдостью 1500 – 1700 HV для защиты от эрозионного износа лопаток турбин из жаропрочных аустенитных сталей, работающих на пылевидном топливе. Диффузионный слой содержит нитриды хрома. ХТО осуществляют в твёрдых порошках ( Cr, обработанный HCl, NH4Cl, угольный порошок) – за 8 – 10 ч, при 1000 – 1150 ºC образуется слой толщиной 0,1 – 0,2 мм, содержащий 2 – 3 % N. Нитридная зона имеет толщину 40 – 60 мкм, эрозионный износ при 650 ºC уменьшается в 10 – 20 раз.

  Разработан также метод раздельного  насыщения хромом и азотом  поверхностного слоя лопаток  газовых турбин: хромирование при  1050 – 1100 ºC с последующим азотированием в NH₃ , совмещённым с нагревом под индукционную закалку ТВЧ. В результате механические свойства основного металла σ_-1 и σ_в не снижаются, а эрозионная стойкость в запылённом потоке газов при 640 ºC уменьшается в 5 – 10 раз.

  Ю. М. Лахтин. Газовая диффузионная  металлизация: 1) насыщение из сублимированной фазы путём испарения диффундирующего элемента; 2) насыщение из газовой фазы (контактным и неконтактным методом), состоящей из галогенных соединений диффундирующего элемента. Галогенные соединения диффундирующего элемента получают путём воздействия галоидного или галоидоводородного газа на этот элемент или его ферросплав.

М + nHГ ↔ МГ_n + (n/2) H₂  , где «Г» - Cl, F, Br.

  В последние годы диффузионную металлизацию хромом проводят путём испарения диффундирующего элемента в вакууме.

  Насыщение поверхности стальных  изделий двумя или большим  числом компонентов     (Al  и Si, Cr и Si, B и Al) позволяет ещё заметнее изменять свойства их поверхности ,следовательно, деталей.

Рис. 6

 

Диаграмма состояния  Fe – Cr

  Диффузионный слой при хромировании технического железа состоит из твёрдого раствора хрома в α-Fe с твёрдостью 250 – 300 HV (Рис 6).

  Слой, полученный при хромировании  стали с  > 0,3 % C, состоит из карбидов (Cr,Fe)₇C₃ и (Cr,Fe)₂₃ C₆ . Под слоем карбидов находится переходный слой с высоким содержанием углерода  - ≈ 0,8 %. Такие слои образуются за счёт диффузии углерода из внутренних слоёв навстречу хрому – сильному карбидообразующему элементу. Твёрдость поверхностного слоя – 1200 – 1300 HV