Диффузионное насыщение металлами

Металлы растворяются в железе и других металлах по способу замещения и потому медленнее, чем неметаллы, диффундируют в изделие. Как правило, диффузионное насыщение металлами проводят при более высоких температурах, чем насыщение неметаллами.

Типичные примеры — алитирование и хромирование.

Алитирование (алюминирование) применяют для повышения окалиностойкости сталей и реже чугунов. Алитируют также литые лопатки газотурбинных двигателей из жаропрочных никелевых сплавов. При нагреве алитированного изделия в окислительной среде на его поверхности образуется тонкая и прочная пленка Al2O3, предохраняющая изделие от дальнейшего окисления. Глубина алитирования в зависимости от метода и режима составляет 0,02 — 0,8 мм.

Наибольшее распространение получило алитирование стальных изделий в порошках с насыщением из газовой фазы. Порошкообразная смесь состоит из ферроалюминия, хлористого аммония и окиси алюминия.

В присутствии NH4Cl образуется газообразный хлорид алюминия AlСl3, являющийся поставщиком активных атомов алюминия. Окись алюминия предотвращает спекание частиц ферроалюминия. Алитирование проводят при 960 — 1050 °С в течение 3 — 12 ч.

Применяют также алитирование в расплаве алюминия с 8 — 112% Fe при 700 — 800 °С в течение 1 — 1,5 ч (железо добавляют в расплав для предотвращения интенсивного растворения в нем изделия).

Примером сравнительно редкого процесса химико-термической обработки с насыщением только из твердой фазы является алитирование способом металлизации (напыления) алюминия с последующим диффузионным отжигом при 900 — 1000 °С в течение 2 — 4 ч.

Диффузионное хромирование применяют для повышения коррозионной стойкости, а также окалиностойкости и износостойкости стальных деталей. Известны промышленные процессы диффузионного хромирования молибдена и ниобия для повышения жаростойкости.

Наибольшее применение получило хромирование в порошкообразных смесях феррохрома (или хрома), хлористого аммония и окиси алюминия при 1000 — 1050 °С с выдержкой 6 — 12 ч. Образующийся газообразный хлорид CrCl2 является поставщиком активных атомов хрома. Используют также хромирование в вакууме при 1000 — 1050 °С в течение нескольких часов с насыщением из паровой фазы, которая получается при испарении порошка хрома. Для повышения коррозионной стойкости и окалиностойкости поверхностный слой должен иметь структуру пластичного твердого раствора хрома в α-железе.

Если одна из целей хромирования — повышение твердости, то в поверхностном слое должны образоваться карбиды хрома (Cr23C6, Cr7С3). Для этого выбирают сталь, содержащую более 0,4% С. Толщина хромированного слоя обычно не превышает 0,2 мм.

Диффузионное удаление элементов

Удаление вредных примесей при нагреве в вакууме и других средах — это важная для ряда изделий разновидность химико-термической обработки. В основе ее лежит диффузионный процесс перемещения атомов из сердцевины к поверхности изделия (смотрите формулу и рисунок Распределение концентрации в однофазной зоне) и удаление элемента с поверхности.

Как правило, требуется сквозное удаление вредных примесей (по всему объему, а не только в поверхностных слоях). Примером является обезводороживание титановых сплавов при нагреве в вакууме для предотвращения водородной хрупкости и повышения ударной вязкости. Обезводороживание проводят при 670 — 700 °С в течение 2 — 6 ч при давлении не более 10—4 мм рт. ст.

Для комплексного удаления примесей внедрения из тугоплавких металлов их нагревают в вакууме.

В промышленности давно применяют сквозное обезуглероживание трансформаторной стали отжигом листов в водороде.

Иногда для изменения свойств поверхностного слоя используют несквозное удаление одного из основных компонентов сплава.

Процессы химико-термической обработки благодаря неисчерпаемому разнообразию химически активных сред и богатым возможностям изменения свойств поверхностных слоев и всего объема изделий широко используют в промышленности. Они быстро развиваются, завоевывая новые области применения.

«Теория термической обработки металлов»,
И.И.Новиков

Азотирование

Азотирование стальных изделий проводят в аммиаке, который при нагревании диссоциирует, поставляя активный атомарный азот: В системе Fe — N при температурах азотирование могут образовываться следующие фазы: α-раствор азота в железе (азотистый феррит), γ-раствор азота в железе (азотистый аустенит), промежуточная γ-фаза переменного состава с г. ц. к. решеткой (ей приписывают формулу Fe4N) и промежуточная ε-фаза с…

Разновидности химико-термической обработки

В промышленности применяют множество способов химико-термической обработки, различающихся диффундирующими элементами, типом и составом внешней среды, химизмом процессов в ней, техникой исполнения и другими признаками. В зависимости от агрегатного состояния внешней среды, в которую помещают обрабатываемое изделие, различают химико-термическую обработку в твердой, жидкой и газовой средах. Атомы диффундирующего элемента поступают из твердого вещества в местах прямого…

Диффузионное насыщение неметаллами

Поверхностное насыщение стали углеродом и азотом или совместно этими элементами — наиболее широко используемые процессы химико-термической обработки. Углерод и азот растворяются в железе по способу внедрения и поэтому могут быстро диффундировать на значительную глубину. Активные среды, содержащие эти элементы, дешевы, а фазы, образующиеся с участием углерода и азота в процессе насыщения или при последующей термообработке,…

Особенности строения диффузионной зоны

Диффузионную зону на шлифе можно выявить травлением благодаря измененному химическому составу поверхностного слоя. В однофазной зоне концентрация плавно изменяется от поверхности в глубь изделия (смотрите рисунок Распределение концентрации в однофазной зоне), и поэтому под микроскопом граница такой зоны размыта или чаще вообще не выявляется. Если диффузия сопровождается фазовыми превращениями, то строение диффузионной зоны резко отличается…

Образование многофазной диффузионной зоны

В однофазной диффузионной зоне при охлаждении изделия с температуры химико-термической обработки могут протекать фазовые превращения: полиморфное превращение твердого раствора, эвтектоидное превращение, выделение избыточной фазы и др. Допустим, что во время науглероживания железа при температуре t1 (выше 911 °С) концентрация углерода на поверхности изделия возрастает от точки а (чистое железо) до точки b, не достигая границы…