Диффузионная металлизация - это про­цесс диффузионного насыщения поверхностных слоев стали различными металлами. Она может осуществлять­ся в твердых, жидких и газообразных средах.

При диффузионной металлизации в твердых средах применяют порошкообразные смеси, состоящие обычно из ферросплавов с добавлением хлористого аммония.

Жидкая диффузионная металлизация осуществляет­ся погружением детали в расплавленный металл (например, цинк, алюминий).

При газовом способе насыщения применяют летучие хлористые соединения металлов, образующиеся при взаимодействии хлора с ме­таллами при высоких температурах. Хлориды диссоциируют на поверхности железа и вы­деляющийся в атомарном состоянии металл диффунди­рует в железо.

Диффузия металлов в железе идет значительно мед­леннее, чем углерода и азота, потому что углерод и азот образуют с железом твердые растворы внедрения, а ме­таллы - твердые растворы замещения. Это приводит к тому, что диффузионные слои при металлизации полу­чаются в десятки раз более тонкими. Поверхностное насыщение стали металлами прово­дится при температурах 900-1200° С.

Алитирование (Al)

Алитированием называется процесс насыщения поверхности стали алюминием. В результате алитирования сталь приобретает высокую окалиностойкость (до850-900° С) и коррозионную стойкость в атмосфере и в ряде сред.

При алитировании в порошкообразных смесях чис­тые детали вместе со смесью упаковывают в железный ящик. В рабочую смесь входят: порошковый алюминий (25-50%) или ферроалюминий (50-75%), окись алю­миния (25-50%) и хлористый алюминий (~1,0%). Процесс осуществляется при температуре 900-1000°С в течение 3-12 ч.

Реже применяют алитирование в ваннах с расплав­ленным алюминием. Алитируемые детали погружают в расплавленный алюминий (92-94% А1 и 6-8% Fe). Железо добавляют для того, чтобы предотвратить рас­творение обрабатываемых деталей в алюминии. Процесс проводят при температурах 700-800°С в течение 45- 90 мин.

Алитирование в расплавленном алюминии отлича­ется от алитирования в порошкообразных смесях прос­тотой метода, быстротой и более низкими температура­ми. Основной недостаток процесса - налипание алюми­ния на поверхность деталей.

Иногда применяют металлизацию поверхности стали алюминием (напыление слоя алюминия на обрабатыва­емую поверхность) с последующим диффузионным от­жигом при температуре 900-1000°С в течение 1-3 ч.

Для предохранения алюминия от окисления во время диффузионного отжига изделие покрывают обмазкой, состоящей из серебристого графита (48%), кварцевого песка (30%), глины (20%), хлористого алюминия(2%) и 20-25% от массы первых четырех составляющих - жидкого стекла.

Алитирование стали металлизацией с последующим диффузионным отжигом в несколько раз дешевле, чем в порошках. Агитированный слой представляет собой твердый раствор алюминия в железе, концентрация алюминия в поверхностном слое достигает 30-40%. Алитированию подвергают трубы, инструмент для литья цветных сплавов, чехлы термопар, детали газоге­нераторных машин и т. д.

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР ПО СТАНДАРТАМ

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

НАДЕЖНОСТЬ В ТЕХНИКЕ. УПРОЧНЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ МАШИН.
ВЫБОР РЕЖИМОВ АЛИТИРОВАНИЯ ПО ДОЛГОВЕЧНОСТИ.
ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ

РД 50-412-83

Москва
ИЗДАТЕЛЬСТВО СТАНДАРТОВ
1984

РАЗРАБОТАНЫ Министерством Гражданской авиации. Государственным комитетом СССР по стандартам, Министерством высшего и среднего специального образования РСФСР

ИСПОЛНИТЕЛИ

Дубинин Г.Н., Гурашев В.Н. (руководители темы), Соколов В.С., Киселев А.В., Харинова Н.А.

ВНЕСЕНЫ Министерством гражданской авиации

Член коллегии министерства Жильцов П.Д.

УТВЕРЖДЕНЫ И ВВЕДЕНЫ В ДЕЙСТВИЕ Постановлением Государственного комитета СССР по стандартам 1 июля 1983 г. № 2900

РУКОВОДЯЩИЙ НОРМАТИВНЫЙ ДОКУМЕНТ

Утверждены Постановлением Госстандарта от 1 июля 1983 г. № 2900, срок введения установлен с 1 июля 1984 г.

Методические указания распространяются на изделия, изготовленные из сталей и никелевых сплавов различного назначения, и устанавливают методы упрочнения поверхности изделий с помощью диффузионного алитирования.

В методических указаниях рассматриваются способы диффузионного алитирования: в порошковых смесях, в ваннах с расплавленным алюминием, металлизацией и методом окраски с последующим диффузионным отжигом.

. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Сравнительные характеристики методов алитирования

. СТАЛИ И СПЛАВЫ ДЛЯ АЛИТИРОВАНИЯ

. ВЫБОР МЕТОДОВ И ТЕМПЕРАТУРНО-ВРЕМЕННЫХ РЕЖИМОВ АЛИТИРОВАНИЯ ПО ДОЛГОВЕЧНОСТИ

Схема выбора методов, параметров алитирования по долговечности

Составы порошковых смесей для диффузионного алитирования

Примечания:

Составы флюсов для алитирования в ваннах с расплавленным алюминием

Состав обмазок

Состав раствора биндера

Режимы отжига некоторых сталей и сплавов

. КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА ИЗДЕЛИЙ С ДИФФУЗИОННЫМИ ПОКРЫТИЯМИ

внешний вид;

состав;

общую толщину;

толщину внешней зоны;

микроструктуру;

величину зерна;

оплошность внешней зоны;

твердость поверхностную;

твердость поверхностную после снятия технологического припуска.

Некоторые виды брака, причины его появления и методы устранения приведены в табл. .

Виды брака при алитировании в порошках

Состав реактивов для травления алитированных изделий

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

Справочное

ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ АЛИТИРОВАНИЯ

Надежность машин и многих приборов зависит от качества поверхности изделий. Одним из наиболее эффективных методов улучшения механических и физико-химических свойств поверхности изделий является химико-термическая обработка.

Структурно-энергетические изменения, происходящие в поверхностных зонах металла, как следствие диффузионного процесса при химико-термической обработке, приводят не только к формированию новых физико-химических свойств поверхности металла, но и оказывают влияние на его объемные свойства, т.е. в пределах сечения металла.

Одним из распространенных видов химико-термической обработки является алитирование - процесс, основанный на диффузионном насыщении поверхности изделий алюминием.

Физическую основу алитирования составляет процесс диффузии атомов алюминия в кристаллическую решетку металла.

Механизм диффузионного насыщения металла алюминием можно рассматривать как комплексный процесс, состоящий из отдельных стадий:

образование активных атомов алюминия вблизи поверхности или непосредственно на поверхности металла;

сорбция атомов поверхностью металла;

диффузия атомов алюминия в металл.

Получение активных атомов алюминия, например, при алитировании сплавов в порошках, происходит в результате протекания в реакционном пространстве герметичного контейнера при нагреве следующих химических реакций:

а при использовании FeAl

На поверхности алитированного сплава

В практике алитирования могут применяться другие галогенидные соли аммония, например NH 4 I , NH 4 F , NH 4 Br . Образующиеся по реакциям атомы алюминия, будучи в активном состоянии, сорбируются поверхностью, а затем диффундируют в глубь металла. В жидкой фазе атомы алюминия обладают также высокой активностью.

Механизм формирования диффузионного слоя во многом определяется величиной начальной концентрации Аl на поверхности металла, которая зависит от многих факторов, в частности, от активности насыщающей среды, от соотношения между скоростью диффузии алюминия и скоростью самодиффузии элементов насыщаемого сплава.

Все среды для алитирования можно условно, исходя из структуры и состава алюминидов во внешней зоне слоя, разделять на среды высокой, средней и малой активности.

К средам высокой насыщающей активности относят такие, у которых концентрация алюминия во внешней зоне слоя - более 40 %, к средней активности - 32 - 38 %, малой - менее - 31 %.

К насыщающим средам высокой активности относятся порошковые смеси с высоким содержанием алюминия (более 70 %), расплавы солей, а также тонкие слои алюминия, наносимые на насыщаемую поверхность при металлизации.

К насыщающим средам средней активности относятся сплавы А l - Fe (более 40 % и менее 70 %). К средам малой активности относятся в основном смеси порошков А l -С, А l - Fe , Al - Ni или смеси, составленные из сплавов этих элементов, содержащие менее 40 % А l в активной составляющей.

В зависимости от степени насыщения алюминия в поверхностных слоях металла или сплава происходят соответствующие фазовые превращения, приводящие к образованию на поверхности различных структурных систем, обусловливающих получение определенных физико-химических свойств.

При алитировании железа и малоуглеродистой стали на поверхности образуется слой α-твердого раствора алюминия в железе. При продолжительном цикле процесса и при применении высокоактивных порошковых смесей возможно образование на поверхности фаз состава: FeAl 2 , Fe 3 Al , FeAl , Fe 2 Al 5 .

При увеличении в стали углерода и легирующих элементов толщина алитированного слоя уменьшается. Твердость алитированного слоя не превышает 500 hv .

Для снижения концентрации алюминия в слое и уменьшения его хрупкости алитированные изделия подвергают отжигу при 900 - 1000 °С. Толщина слоя при этом возрастает на 20 - 40 %.

Алитированный слой на аустенитных сталях 12X18Н10Т, 10Х11Н23ТЗМР и др. состоит из трех зон. На поверхности образуется фаза, близкая к FeAl (светлый слой), промежуточный слой α + FeAl и далее γ-фаза (твердый раствор алюминия в аустените).

Твердость поверхности стали 12Х18 H 10 T равна 450 HV , а стали 10X11Н23ТЗМР - 700 HV .

Независимо от выбранного способа насыщения основу внешней зоны диффузионных слоев на никелевых сплавах, полученных из сред высокой активности, составляют соединения Ni А l 3 или Ni 2 А l 3 . Наличие этого или другого алюминида зависит от температуры процесса насыщения, количества А l , поставляемого из среды на насыщаемую поверхность, а также легирования сплава (табл. ).

При температурах насыщения выше 800 °С в поверхностных слоях отмечается выделение фаз на основе тугоплавких элементов - молибдена, вольфрама, хрома, отличающихся высокой растворимостью в образующихся алюминидах. Диффузионные слои, полученные в средах высокой активности, имеют высокую твердость, малую пластичность. Кроме того соединения NiAl 3 плавятся при 854 ° С, поэтому перед использованием изделий с таким слоем требуется проведение кратковременного отжига при 950 - 1100°С.

Смеси средней активности занимают промежуточное положение в условной градации насыщающих сред, и поэтому слои, образующиеся из них в определенных условиях насыщения, могут иметь структуру и состав, близкие к полученным из смесей высокой и малой активности (табл. ).

Распределение легирующих элементов по диффузионным слоям, образующимся на никелевых сплавах в смесях высокой активности.

Концентрация хрома, вольфрама, молибдена во внешней зоне обычно меньше, в то время как концентрация этих элементов во внутренней зоне больше их исходной концентрации в насыщаемом сплаве.

В смесях малой активности, образующийся диффузионный слой состоит из двух зон. Внешняя зона слоя имеет микротвердость 550 HV , основу слоя составляют алюминиды и Ni 3 Al . Концентрация алюминия в этой зоне после насыщения составляет 15 - 24 %. Механизм образования таких слоев, судя по распределению алюминия, никеля, хрома, и легирующих элементов сплава, подобен механизму образования диффузионных слоев в смесях средней активности. Невысокая твердость и соответственно повышенная пластичность слоев исключает необходимость их диффузионного отжига после алитирования.

Характер влияния алитированных слоев на механические характеристики представлен для сталей на черт. - , для сплавов на черт. - .

В процессе алитирования в поверхностных слоях металла происходят структурно-энергетические изменения, сопровождающиеся уменьшением термодинамического потенциала поверхности, изменениями сил связи между атомами и тонкой структурой металла.

Кинетика диффузии алюминия в металл характеризуется коэффициентами диффузии D , которая в зависимости от температуры Т процесса описывается экспоненциальной зависимостью. Например, для стали 10Х18Н10Т

стали 1 0 Х12Н22ТЗМР

Рост диффузионного слоя в зависимости от продолжительности алитирования подчиняется параболическому закону.

Изменение структурно-энергетического состояния поверхности, происходящее при алитировании и, как следствие, изменение физико-химических и механических свойств поверхности и объемных свойств материала позволяют повысить прочностную надежность изделий.

Зависимость пределов выносливости от толщины диффузионного слоя на стали 45 (алитирование в порошках при 800 ° С)

Коррозионная стойкость стали 45 в 3 %-ном растворе - NaCl

Окисление стали 45 при испытании на воздухе в течение 6 ч

Кривые ползучести сплава ХН500ВМТКФЮ при 1000 ° С, = 3 МПа

Кривые усталости моделей лопаток из сплава ХН56ВМКЮ, испытанных в продуктах сгорания топлива Т-1 при 900 ° С и σ m = 20 МПа, R α = -0,92

Зависимость сопротивления термической усталости лопаток из сплава ЖС6-К от максимальной температуры цикла

1 - без покрытия; 2 - после алитирования в порошковой смеси (Аl, А l 2 О 3 , NH 4 Cl, 900 °С); 3 - после алитирования порошковой смеси (Аl, Cr , А l 2 O 3 , NH 4 Cl, 950 ° С)

На протяжении нескольких столетий основные эксплуатационные качества металлов изменялись при помощи химико-термического воздействия. Проведенные тесты указывают на то, что процент содержания определенных примесей в металле может оказывать влияние на его твердость, прочность, коррозионную стойкость и многие другие качества. Алитирование углеродистой стали – процесс насыщения поверхностного слоя изделия алюминием, который проходит при определенной температуре. Процесс алитирования стали достаточно сложен, при его проведении проводится установка определенного оборудования. Рассмотрим особенности проведения работы по насыщению поверхностного слоя стали и чугуна алюминием.

Применение алитирования

Придаваемые свойства изделию во многом определяют область применения рассматриваемой технологии химико-термической обработки. В производстве алитирование сталей применяется для изменения следующих свойств обрабатываемой стали:

1. Высокая окалиностойкость. Это свойство связано с процессом образования защитной пленки на поверхности изделия при его нагреве.
2. Высокая защита от окислительных процессов.
3. Высокие антикоррозионные свойства. В результате алитирования изделие может использоваться даже при условии воздействия морской воды.
4. Рассматривая твердость поверхностного слоя нужно уделить внимание тому, что максимальный достигаемый показатель составляет около 500HV.

Рассматривая достоинства и недостатки алитирования стали, нужно отметить тот момент, что воздействие высокой температуры становится причиной перестроения атомной решетки, вследствие чего поверхностный слой становится хрупким.

При обработке данным химико-термическим методом ответственных деталей, проводится обжиг в течение нескольких часов. Поэтому процесс внесения алюминия характеризуется большой продолжительностью.

Технология и методы алитирования

Диффузионное алитирование проходит при температуре от 700 до 1100 градусов Цельсия. Оптимальные режимы обработки выбираются в зависимости от особенностей обрабатываемого материала. Выделяют несколько наиболее распространенных технологий химико-термического воздействия:

1. Алитирование в порошкообразных смесях проводится использовании металлических ящиков. Заготовка помещается в твердый карбюризатор. При этом приготовленная смесь может использоваться многократно, что делает данную технологию экономически выгодной. Температура алитирования стали в данном случае выдерживается в пределе от 950 до 1050 градусов Цельсия, процесс занимает от 6 до 12 часов. Максимальная глубина проникновения алюминия составляет 0,5 миллиметров. Используемый состав представлен алюминиевой пудрой, порошка и определенных добавок. Добавки представлены окисью алюминия и молотой глиной, а также хлористыми разновидностями аммония и алюминия. В некоторых случаях процедура затягивается до 30 часов, что делает ее экономически не выгодной. Данный метод применим в случае сложной конфигурации детали, так как изменение поверхностного этапа проводится поэтапно. Изменение состава поверхностного слоя порошкообразной смесью – самый дорогой метод из всех применяемых.
2. Алитирование напылением проводится в случае, если нужно сократить время проведения данной операции. Данная технология алитирования определяет воздействие относительно невысокой температуры, около 750 градусов Цельсия, требуется порядком одного часа для проникновения алюминия на глубину 0,3 миллиметра. Достоинства данного метода заключается в быстроте исполнения, но нельзя его использовать для получения износостойких ответственных деталей, так как поверхностная пленка очень тонкая. Поверхностное насыщение стали рекомендуют проводить при массовом производстве. Прочность сцепления напыляемого слоя в этом случае невысокая, составляет 0,2-2 кг/мм 2 . Также особенности данной технологии определяют высокую пористость структуры.
3. Металлизация с последующим обжигом проводится при нагреве детали до температуры 900-950 градусов Цельсия, длительность нагрева составляет 2-4 часа. Данный метод существенно уступает предыдущему, так как получаемый слой имеет толщину не более 0,2-0,4 миллиметров, а расходы повышаются по причине существенного увеличения времени нагрева. Однако его часто применяют в случае, когда нужно получить деталь с прочной и твердой поверхностью, которая будет подвергаться существенным нагрузкам. Это связано с тем, что проводимый отжиг позволяет снизить показатель хрупкости, повысив прочность.
4. Алитирование в вакууме предусматривает нанесение покрытия путем испарения алюминия с его последующим осаждением на поверхности изделия. Толщина получаемого покрытия незначительно, но вот достигаемое качество одно из самых высоких. Для нагрева среды проводится установка специальных печей, которые способны раскалить подающийся состав до температуры 1400 градусов Цельсия. Высокое качество покрытия достигается за счет равномерного распределения алюминия по всей поверхности. Технология в данном случае предусматривает предварительный нагрев поверхности до температуры от 175 до 370 градусов Цельсия. Следует уделять много внимания предварительной подготовке детали, так как даже незначительная оксидная пленка становится причиной существенного снижения качества сцепления поверхностного и внутреннего состава. Высокая стоимость процесса и его сложность определяют применимость только при производстве ответственных деталей.
5. Алитирование методом погружения пользуется большой популярностью по причине того, что покрытие наносится в течение 15 минут. При этом оказывается относительно невысокая температура: от 600 до 800 градусов Цельсия. Кроме этого данный метод один из самых доступных в плане стоимости. Суть процедуры заключается в погружении заготовки в жидкий алюминий, нагретый до высокой температуры. При этом получается слой толщиной от 0,02 до 0,1 миллиметра. Особое внимание уделяется подготовке среды, в которой будет проводится процесс изменения химического состава поверхностного слоя.

Есть и другие методы внесения алюминия, которые позволяют изменить основные эксплуатационные качества заготовок.

Контролировать качество поверхности с использованием дефектоскопа – устройства, которое применяется для проверки дефектов методом неразрушающего контроля.

Наиболее распространенным дефектами называют нарушения однородности структуры, появления зоны коррозионного поражения, отклонение требуемого химического состава и так далее.

Материалы, допускаемые к алитированию

Металлизация – технология, которая предназначенная для изменения свойств поверхностного слоя. Разновидностью данной технологии является и алитирование. Насыщению поверхностного слоя подвергают:

1. Углеродистые стали. При этом преимущественно используются низкоуглеродистые стали, реже среднеуглеродистые. При высоком содержании углерода в составе процедура становится малоэффективной.
2. Легированные стали применяются реже, но при правильном проведении технологии можно получить износостойкие детали.
3. Чугун также можно подвергать процедуре алитирования для изменения основных эксплуатационных качеств.

Для получения нержавеющей стали алитированию подвергают как углеродистые, так и легированные стали. В некоторых случаях проводится предварительная подготовка сталей и сплавов, представленная закалкой или другими процедурами химико-термической обработки.

РАСПЛАВ Ы

УДК 621.793.6

© 2010 г. К. Р. Каримов1, А. И. Анфиногенов, Я. Б. Чернов, В. В. Чебыкин, А. А. Панкратов, Б. Д. Антонов

ДИФФУЗИОННОЕ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЕ АЛИТИРОВАНИЕ СТАЛЕЙ И СПЛАВОВ ПРИ МЕХАНИЧЕСКОЙ АКТИВАЦИИ ПОВЕРХНОСТИ

Исследовано получение алюминидных диффузионных покрытий на сталях 20, 08Ю, 08Х18Н10Т и хромоникелевых сплавах Х27Ю5Т, ХН65ВМЮТ, Х15Н60-Н при механической активации поверхности во вращающемся реакторе в смесях, содержащих порошки алюминия, хлорида аммония и корунда при температурах 550-600°С. Определена толщина и фазовый состав алюминидных покрытий, жаростойкость алитированной стали 08Ю при 620 и 912°С и сплава ХН65МВТЮ при 1000°С.

Полученные покрытия исследованы рентгенофазовым анализом, рентгеноспек-тральным микроанализом и гравиметрическим методом. Алюминидные покрытия на конструкционных сталях состоят из последовательных фаз, начиная с внешнего слоя: РеА13, Ре2А15, Ре3А1; а также на нержавеющей стали из фаз: Ре2А15, Сг2А1, СгА15, на жаропрочных сплавах из фаз: №А13, №А1, №3А1, Сг2А1, СгА15.

Ключевые слова: термодиффузионное алитирование, повышение жаростойкости, алюминидные покрытия, солевой хлоридный активатор.

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время в промышленности применяют разнообразные покрытия, наносимые на поверхность изделий тем или иным способом в зависимости от условий их эксплуатации. Диффузионное насыщение позволяет при относительно небольших затратах формировать в поверхностных слоях изделий необходимую фазовую структуру, соответствующую требуемым свойствам, и представляет собой одну из главных задач в общей системе мер по защите металла от коррозии, повышения его жароустойчивости и износостойкости. Поскольку данная статья - первая в цикле работ по данной теме, то далее приводим анализ современного уровня исследования формирования диффузионных покрытий, в том числе с влиянием механической активации.

Наиболее полная классификация процессов диффузионного насыщения, основанная на физико-химической характеристике используемой среды, содержащей насыщающий элемент, предложена Г.Н. Дубининым . Развитая и дополненная классификация этих методов дана в монографии . По данной классификации, в зависимости от типа насыщающей среды, различают четыре метода диффузионного насыщения: твердый, газовый, жидкий и парогазовый.

Такая классификация учитывает все известные способы и технологические приемы насыщения поверхности металлов и сплавов различными элементами. Каждый из методов получения покрытий имеет свои преимущества и недостатки. Все указанные методы обеспечивают либо создание активной насыщающей среды, что является одним из необходимых условий технологии диффузионного насыщения, либо хороший контакт насыщающего компонента с поверхностью детали.

Одним из наиболее эффективных и широко применяемых в промышленности методов повышения долговечности многих ответственных деталей является их химико-термическая обработка (ХТО), которая воздействует на поверхностные слои металла, т.е. на те слои, в которых концентрируются максимальные напряжения, развиваются процессы коррозии и износа. Преимуществом диффузионных покрытий, получаемых при ХТО, заключается в том, что связь наносимого элемента с защищаемым металлом наиболее прочная вследствие взаимной диффузии. Постепенное изменение концентрации наносимого элемента по толщине покрытия обеспечивает хорошее сцепление покрытия с основой вследствие плавного или ступенчатого изменения коэффициентов термического расширения фаз покрытия, что обеспечивает долговечность эксплуатации деталей при резких колебаниях температур.

Наиболее универсальным металлическим покрытием для защиты от окисления изделий различного назначения при повышенных температурах на воздухе и в некоторых агрессивных средах являются алюминидные покрытия. Поверхностное насыщение алюминием металлов и сплавов придают им повышенную окалиностойкость при высоких температурах в результате образования оксидной пленки a-A12O3 на алюми-нидном покрытии и соответственно повышенное сопротивление атмосферной коррозии.

Имеются многочисленные публикации по получению алюминидных покрытий на различных металлах и сплавах указанными методами. В монографиях приведены результаты исследований по алитированию сталей, а в книгах имеются отдельные разделы по нанесению алюминидных покрытий на различные стали и сплавы. Разработаны различные методы диффузионного алитирования: в порошковых средах, в ваннах с расплавленным алюминием, газовый, электролизный в ваннах с расплавленными солями алюминия.

ТЕРМОДИФФУЗИОННОЕ АЛИТИРОВАНИЕ В ПОРОШКОВЫХ СМЕСЯХ

Алитирование металлических изделий в порошковых смесях получило преимущественное распространение в промышленности, особенно для повышения их коррозионной устойчивости и жаростойкости. Для алитирования используются разнообразные смеси, состоящие из порошков алюминия, или ферроалюминия, оксида алюминия, хлорида аммония с добавлением легирующих элементов. Алитирование осуществляют в ящиках из жаропрочной стали при 700-1000°С. Однако алитирование при высоких температурах вызывает быстрый рост зерна стали. Для снижения содержания алюминия в покрытии и уменьшения его хрупкости алитированные детали чаще всего подвергают дополнительному отжигу (нормализации).

Усложнение геометрической формы и увеличение размеров ряда изделий вызвало интерес к снижению температуры поверхностного упрочнения металлов. При 500- 600°С можно значительно уменьшить коробление изделий, сохранить прочностные свойства основы, увеличить срок службы оборудования, не снижая при этом качества поверхностного слоя.

Наиболее вероятными реакциями алитирования являются разложение хлорида аммония на аммиак и хлорид водорода, вступление металлического алюминия в реакцию с хлоридом водорода с образованием хлорида алюминия, самовосстановление алюминия до соединения алюминия низшей валентности. На поверхности стали происходит диспропорционирование хлорида одновалентного алюминия с образованием сплава Al-Fe :

МН4а(тв) ^ МН3(г) + НС1(г),

6НС1(г) + 2А1(тв) ^ 2А1С13(г) + 3Н2(г),

Рис. 1. Схема установки для нанесения термодиффузионных покрытий:

1 - реактор; 2 - крышка; 3 - патрубок для откачки воздуха и подачи инертного газа; 4 - печь; 5 - клапан; 6 - шлюз для засыпки легирующих порошков (смесь); 7 - насыщающая смесь; 8 - детали; 9 - сепаратор; 10 - дополнительная емкость; 11 - крышка дополнительной емкости; 12 - маховик для клапана. Узел вращения на схеме не показан.

А1С13(г) + 2А1(тв) ^ 3А1С1(г),

3А1С1(г) + 2Бе(тв) ^ А1С13(г) + 2РеА1(сплав).

В литературе отмечается, что алюминиевые покрытия лучше цинковых противостоят коррозии в атмосферных условиях, в сухой или влажной среде, содержащей серу. Глубина алюминидного слоя и концентрация в нем алюминия определяют стойкость деталей в рабочих условиях. Термодиффузионный метод алитирования, осуществляемый в порошковых средах, наиболее удобен для нанесения покрытий на резьбовые части изделий.

С целью повышения коррозионной устойчивости выхлопных систем из конструкционных сталей двигателей внутреннего сгорания в условиях агрессивных сред с циклическим нагревом до 600°С, а также увеличения жаростойкости теплообменников и турбинных лопаток из нержавеющих сталей и жаропрочных сплавов до 1000°С нами проведены исследования по нанесению алюминидных покрытий на стали 20, 08Ю, 08Х18Н10Т и сплавы Х27Ю5Т, ХН65ВМЮТ, Х15Н60-Н методом низкотемпературного насыщения в смеси (мас. %): алюминия - 2.5, активатора МН4С1 - 0.5 и электрокорунд - остальное, при 550-600°С при механической активации поверхности в течение 3-5 ч . Хлорид аммония в данной схеме выступает поставщиком хлор-ионов, необходимых для интенсификации переноса алюминия через газовую фазу. Движущей силой процесса алитирования выступает изменение энергии сплавообразования на поверхности насыщаемого материала.

ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТОВ

Нами использован малоотходный способ нанесения сплошных диффузионных антикоррозионных, жаростойких алюминидных покрытий на поверхность черных, цветных металлов и сплавов (метизы, трубы, турбинные лопатки и другие изделия) на установке периодического действия в атмосфере аргона (рис. 1).

Таблица 1

Химический состав сталей и сплавов (мас. %)

Сталь, сплав, ГОСТ Сг N1 Бе Мо "Иг А1 Т1 Мп 81 С 8 Р

Сталь 20, До 0.25 До 0.25 Основа - - - - 0.35- 0.17- 0.17- До 0.04 До 0.04

1050-88 0.65 0.37 0.24

Сталь 08Ю, 0.03 0.06 Основа - - 0.02- - 0.20- 0.01 До 0.07 0.025 0.02

9045-80 0.07 0.35

Сталь 17.0- 9.0- Основа - - - 5.0С- <2.0 <0.8 <0.08 <0.02 <0.3

08Х18Н10Т, 19.0 11.0 0.7

Сплав 26.0- < 0.6 Основа - - 5.0- 0.15- 0.3 0.6 0.05 0.015 0.02

Х27Ю5Т, 28.0 5.8 0.4

Сплав 15.0- Основа <3.0 3.5- 8.5- 1.2- 1.2- <0.5 <0.6 0.05 <0.01 <0.02

ХН65ВМЮТ 17.0 4.5 10.0 1.6 1.6

Сплав 15.0- 55.0- 17.3- - - До 0.2 До 0.3 До 0.2 0.8- До 0.03 До 0.2 До 0.03

Х15Н60-Н, 18.0 61.0 29.2 1.5

Термодиффузионное насыщение вели в герметичном вращающемся реакторе 1 со скоростью 5 об мин-1 при 550-600°С и времени 3-5 ч в зависимости от материала подложки и толщины покрытия. Насыщающая смесь состояла из порошка алюминия ПА-4 (0.1-0.2 кг м-2 поверхности образцов), порошка электрокорунда (А1203, 50 % объема реактора) и 0.5% N^0 к массе электрокорунда. Несмотря на неизотермич-ность реактора, хлорид аммония, конденсируясь на более холодных частях реактора, обеспечивал необходимое содержание хлоридов алюминия, участвующих в его переносе. После окончания процесса насыщения смесь отделяли от образцов через сепаратор 9 в герметичную емкость 10 при открытом клапане 5. Затем реактор разгерметизировали и образцы с покрытием выгружали на воздух для охлаждения, отработанная смесь остается в герметичной дополнительной емкости, при этом клапан закрыт. Следующую партию образцов при температуре процесса загружали в реактор, затем его герметизировали, откачивали воздух и заполняли аргоном. В отработанную смесь после ее охлаждения до 300°С чер

Вид химико-термической обработки, заключающийся в диффузионном насыщении поверхности деталей алюминием.

Чаще всего алитирование проводят для деталей, изготовленных из стали, никелевых сплавов и чугуна. Глубина насыщения составляет 0,02…1,2 мм. Алитирование проводится главным образом для повышения жаростойкости, уменьшения схватываемости поверхностей, повышения износостойкости, защиты от коррозии в средах, содержащих серу, азот и углерод. Алитированный слой стальной детали представляет собой?-твердый раствор алюминия в железе. Кроме этого на поверхности стальной детали возможно образование одной или нескольких интерметаллидных фаз состава: FeAl 2 , FeAl, Fe 3 Al, Fe 2 Al 5 . (происходит от немецкого слова alitieren - алюминирование).{/slide}

Чаще всего алитирование проводят в порошкообразных смесях, состоящих из 25-50 % порошка алюминия или 50-75 % ферроалюминия, с добавлением окиси алюминия (25-75 %) и хлористого аммония (NH 4 Cl) в количестве около 1 %. Во время нагрева стали в алитирующей среде протекают следующие реакции: NH 4 Cl > NH 3 + HCl ,
NH 3 > 1/2N 2 + 3/2H 2 ,
2HCl + 2/3Al > 2/3AlCl 3 + H 2 .

Пары хлорида алюминия, как более тяжелые, взаимодействуют с алюминием по реакциям диспропорционирования: 2/3AlCl 3 + 4/3Al > 2AlCl ,
2/3AlCl 3 + 1/3Al > AlCl 2 ,
AlCl 2 + Fe > 2/3AlCl 3 + 1/3Fe 3 Al .

Таким образом, в результате алитирования с помощью алюминия в насыщающей среде происходит восстановление хлоридов алюминия до AlCl 3 , который вновь вступает в обратимые реакции.

1. Повышение жаростойкости .
2. Повышение коррозионной стойкости при работе в растворах солей и азотной кислоты.
3. Повышение эрозионной стойкости.

В настоящее время алитирование проводят как в твёрдой, так и в жидкой средах. Кроме того, в заводской практике постепенно начинает расширяться способ металлизации.

1. Алитирование в порошках. Чаще всего здесь используют порошкообразные смеси следующих составов:
   1. 49,5 % алюминия + 49,5 % Al 2 O 3 + 1 % NH 4 Cl;
   2. 99 % ферроалюминия + 1 % NH 4 Cl;
   3. 48 % ферроалюминия + 48 % кварцевого песка + 4 % NH 4 Cl.

   Во всех составах температуру алитирования поддерживают на уровне 950…1050 °С, а время выдержки для указанных температур назначают в пределах от 6 до 12 ч. При таких режимах глубина алитированного слоя может составлять 0,25…0,6 мм.

   Сам процесс алитирования проводят следующим образом. Детали и порошки послойно загружают в железные или нихромовые ящики. В процессе насыщения в них многократно добавляют 10-15 % свежей порошкообразной смеси. Если в состав смеси входит окись алюминия, то ее предварительно перед загрузкой в ящик прокаливают при температуре 800-900 °С. Все компоненты порошкообразных смесей просеивают через сито с размером ячейки 0,4-0,5 мм. Ящик, в котором проводят алитирование, обязательно должен быть снабжен плавким затвором. Вместе с деталями в ящик кладут по два-три контрольных образца, называемых свидетелями. С помощью таких свидетелей можно следить за ходом насыщения.

   На рисунке 1 показана зависимость глубины алитированного слоя у стали 10 от продолжительности насыщения при различных температурах.
   

2. Алитирование в расплавленном алюминии. Сущность этого способа заключается в выдержке деталей в ванне с расплавленным алюминием при температурах 720 -850 °С. Поскольку в жидком алюминии некоторые детали могут растворяться, то для предотвращения такого процесса в ванну вводят 8-12 % железа. В составе ванны нежелательно иметь примеси меди, цинка и кремния, т.к. они затрудняют процесс насыщения.

   Время выдержки может меняться в зависимости от вида деталей и их назначения от 15мин. до 1ч. При таких режимах можно получать алитированные слои глубиной 0,1…0,3 мм. Следует заметить, что при таком способе иногда может отмечаться повышение хрупкости, получаемого слоя. Поэтому, в целях устранения такого дефекта, детали после алитирования подвергают отжигу при температуре 950-1050 °С в течение 4-5 часов. При такой термообработке глубина слоя может увеличиться на 20-40 %.

   В процессе алитирования на поверхности расплава рекомендуют создавать слой флюса, состоящего, например, из 40 % NaCl; 40 % KCl; 10 % Na 3 AlF 6 ; 10 % AlF 3 . Такой флюс играет роль защиты и уменьшает процесс разъедания поверхности детали. На рисунке 2 показана зависимость глубины слоя у стали 10 от продолжительности алитирования в расплаве алюминия при различных температурах.

   Алитированный слой представляет собой твердый раствор алюминия на базе химического соединения Fe 3 Al. Такую фазу чаще называют?-фазой. Концентрация алюминия в этой фазе может доходить до 30 % и более.

   В настоящее время постепенно развивается и расширяется алитирование способом металлизации. Сущность этого способа заключается в напылении на поверхность детали слоя алюминия с последующим диффузионным отжигом при температуре 900-1000 °С. Перед отжигом деталь покрывают обмазкой, состоящей из 48 % серебристого графита, 30 % кварцевого песка, 20 % глины и 2 % хлористого аммония. Все компоненты замешиваются на жидком стекле и наносится на деталь толщиной 0,8-1,5 мм.

   Температура, при которой происходит насыщение, составляет 900-950 °С. Сам процесс может длиться 2-4 часа. При таких режимах можно получать слой толщиной 0,2-0,4 мм. Наибольшее применение алитирование получило при производстве клапанов двигателей внутреннего сгорания, чехлов термопар и т.п. В принципе, алитирование можно назначать для любых деталей, работающих при высокой температуре, и которым, прежде всего, предъяляют требования высокой окалиностойкости.