Главная / Теория термической обработки металлов / Химико-термическая и термомеханическая обработки / Химико-термическая обработка / Диффузионное насыщение металлами

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