3.4. Циркуляционный метод химико-термической обработки

Для многих деталей требуют­ся жаростойкие покрытия. Их поверхность должна хорошо сопротивлять­ся окислитель-ному действию рабочей или окружающей среды. Традицион-ными способами получения таких покрытий являются алити-рование (алюминирование), хромирование и силицирование из порошковых сме­сей, содержащих диффундирующий элемент, активизатор (NH₄Cl, NH₄J и др.) и нейтральный порошок (шамот, глинозем и др.) для предотвра­щения спекания смеси.

Насыщаемые детали вместе с порошком упаковывают в металличе­ские контейнеры с плавкими затворами, нагревают в печи до 1000÷1200°С и выдерживают несколько часов для получения диффузионных слоев за­данных толщины и структуры.

В процессе химико-термической обработки в контейнере одновремен­но или последовательно протекает несколько химических реакций, кото­рые имеют различное значение для данного диффузионного насыщения.

Наряду с основными или ведущими реакциями проте-кают побочные, ино­гда нежелательные превращения. Так, во время нагрева в алитирующей смеси протекают следующие реакции:

NH₄C1 → NH₃ + НСl

NH₃ → 1/2N₂ + 3/2H₂

2HC1 + 2/3Al → 2/3AlCl₃ + H₂

Более легкие газы - водород, азот и хлористый водород - частично выходят через отверстия или плавкий затвор контейнера, а более устой­чивые и тяжелые пары хлористого алюминия реагируют с алюминием по реакциям диспропорционирования:

2/ЗАlСl₃ + 4/ЗАl↔ 2АlСl

2/ЗАlСl₃ + 1/ЗАl ↔ АlСl₂

Процесс алитирования различных сплавов происходит либо в ре­зультате выделения на насыщаемой поверхности алюминия по реакциям диспропорционирования, либо в результате взаимодействия субхлоридов АlСl₂ и АlСl с элементами насыщаемых сплавов по реакциям типа:

АlСl₂ + Fe → 2/ЗАlСl₃ + l/3Fe₃Al

АlС1 + Ni → 2/ЗА1С1₃ + 1/3Ni₃А1

AlCl₂ + l/3Fe → 2/ЗА1С1₃ + l/3FeAl

В соответствии с приведенными реакциями в контейнере в ходе диф­фузионного насыщения алюминием восстанав-ливается А1С1₃, который вновь вступает в обратимые реакции.

На этом принципе основан циркуляционный метод диффузионного на­сыщения металлов различными элементами. Так, для алитирования в хлоридной среде достаточно в рабочую камеру установки, где находятся обрабатываемые детали и алюминий, ввести пары хлористого алюминия после удаления воздуха. При температуре алитирования в рабочей камере (муфеле) устанавливается термодинамическое равновесие составляющих газовой смеси, и про­цесс алитирования происходит в результате нарушения и восстано­вления этого равновесия как вбли­зи насыщаемой поверхности, так и вблизи поверхности расплавлен­ного алюминия.

Циркуляционным методом можно проводить диффузионное насыщение не только алюмини­ем, кремнием, хромом, но и рядом других элементов как в отдельно­сти, так и совместно в специаль­ной установке.

Алитированию, хромированию и силицированию подвергают сплавы на железной, никелевой и других основах. Эти диффузионные покрытия способны защищать детали от окисления при высоких температурах, та как на их поверхности в окислительной среде образуются плотные пленки из AI₂О₃, Сr₂О₃ и SiO₂, препятствующие диффузии кислорода.

Хромирование среднеуглеродистых сталей (0,3÷0,4 % С) приводит к повышению их поверхностной твердости и износостойкости, так как на поверхности образуется тонкий слой (0,025÷0,030 мм) карбида (Сг, Fe)₇C₃ или (Сr, Fе)₂₃С₆ с твердостью 1200÷1300 HV. Несмотря на низкую твердость (200÷300 HV), силицированный слой хорошо сопротивляется износу после предварительной пропитки маслом при 170÷200°С.

Высокой износостойкостью обладают диффузионные боридные по­крытия. Износостойкость борированной стали 45 (содержание углерода 0,45 %) в условиях трения сколь­жения 4÷6 раз выше износостойкости цементованных и в 1,5÷3 раза нитроцементованных сталей.

Износостойкость двухфазных боридных слоев (FeB, Fe₂B) в 1,5÷2 ра­за выше износостойкости однофазных слоев (Fe₂B), а в условиях абразив­ного изнашивания находится на уровне износостойкости хромированных сталей.

Диффузионными покрытиями можно значительно повысить коррози­онную стойкость углеродистых сталей в разбавленных водных растворах неорганических кислот. Наибольшей стойкостью к действию 10 %-й HNO₃ обладают хромотитанированные и хромоалитированные стали, несколько уступают им хромированные и хромотитаноалитированные стали. Борированные стали хорошо сопротивляются действию 10 %-й H₃SO₄ и 30 %-й НС1. Борированные и особенно хромосилицированные стали обладают высокой коррозионной стойкостью в 40 %-й Н₃РО₄. Хромированные ста­ли устойчивы к коррозии в 3 %-м водном растворе NaCl (морской воде), но лучшие результаты получены после цирконоалитирования и титаноалитирования сталей. Хромированные высокоугле-родистые стали облада­ют хорошей коррозионной стойкостью к действию даже 50 %-й СНзСООН. Однако следует заметить, что все приведенные выше характеристики справедливы в том случае, когда диффузионные покрытия имеют опти­мальную для соответствующей агрессивной среды структуру. Следовательно, подобным рекомендациям должно предшествовать исследо-вание структуры покрытий и технологических режимов химико-термической об­работки.

Обработанные по оптимальным режимам диффузионного насыщения углеродистые стали по кислотостойкости не усту-пают дорогим хромоникелевым астенитным сталям.