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:
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
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:
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.