Диффузионная металлизация

Борирование

Борированием называют процесс поверхностного на­сыщения поверхностных слоев стальных изделий бором при температуре 900…950 ⁰С в течение 2…6 ч. Для борирования применяют карбид бора (В₄С) и буру (Na₂B₄O₇), ферробор, аморфный бор, диборан (В₂Н₆) и другие боросодержащие вещества.

Цель борирования - повышение твердости, износостойкости и некоторых других свойств стали. Диффузионный слой толщиной 0,05…0,15, состоящий из боридов FeB и Fe₂B обладает высокой твердостью (HV до 21000 МПа), стойкостью к абразивному изнашиванию, коррозионной стойкостью, поэтому его применяют для повышения стойкости бурильного и штампового инструмента.

Диффузионной металлизацией называют процесс по­верхностного насыщения стали металлами. Насыщение алюминием называется алитированием, хромом - хро­мированием, кремнием - силицированием, титаном - титанированием и т. д. В результате насыщения поверх­ности указанными металлами повышается определенный комплекс свойств (износостойкость и твердость, коррози­онная стойкость, жаростойкость и др.). Как и при насы­щении металлоидами, существуют различные способы осуществления диффузионной металлизации.

При насы­щении стали металлами с низкой температурой плавле­ния (алюминий, цинк), чаще применяют их расплавы, а для более тугоплавких (кремний, ванадий) используют контакт стали либо с их порошковыми ферросплавами, либо летучими хлоридами металлов (АlСl₃, CrCl₂, SiCl₄ и др.).

Алитирование проще проводить отжигом в порошко­образных смесях либо методом напыления с последую­щим диффузионным отжигом при 900…1100°С.

В результате окисления алюминия после алитирования на поверхности стали образуется пленка Al₂O₃, пре­дохраняющая ее от окисления и сталь приобретает повышенную коррозионную стойкость. Толщина алитированного слоя обычно составляет 0,2…1,0 мм. Алитированию подвергают детали, длительно работающие при вы­соких температурах (чехлы термопар, детали разливоч­ных ковшей, топки газогенераторных машин).

Хромирование изделий проводят чаще всего в порош­кообразных смесях (например, в смесях, содержащих 50 % феррохрома, 49 % оксида алюминия и 1 % хлорис­того аммония). Хром при высокой температуре (1000…1050 °С) испаряется из феррохрома и диффундирует в сталь. По структуре диффузионный слой представляет твердый раствор хрома в a - железе, если хромируют тех­ническое железо, а при насыщении стали в хромистом феррите распределяются специальные карбиды хрома (Cr,Fe)₇C₃, (Cr,Fe)₂₃С₆. Карбидный слой обладает вы­сокой твердостью, достигающей 12000…13000 HV. В по­следнее время применяют так называемое глубокое хромирование (на глубину от 2 до 8 мм, осуществляемое при высоких температурах (1400…1450 °С)). Хромирова­ние применяют для деталей, работающих на износ в аг­рессивных средах (детали паросиловой аппаратуры, пароводяная арматура и др.).

Силицирование проводят для повышения стойкости изделий в морской воде, различных кислотах (серной, соляной, азотной), в порошкообразных смесях (70 % ферросилиция, 20 % шамота, 5 % HCl), но чаще - в га­зообразной среде (SiCl₄) при 950…1000 °С.

Силицированный слой представляет собой твердый раствор крем­ния в a - железе. Он отличается повышенной пористостью, глубина его 0,3…1 мм.

Твердость силицированного слоя невысока (2000…3000 HV ), но после предварительной про­питки маслом при 170…200 °С он обладает высокой износостойкостью. Силицированию подвергают детали оборудования для химической, нефтеперерабатывающей промышленности т. п.

При титанировании поверхностный слой в низкоугле­родистой стали отличается повышенными коррозионны­ми свойствами, а в средне- и высокоуглеродистых - так­же и высокой твердостью (до 27000 HV ) и износостой­костью.

Титанирование проводят в порошкообразных смесях (например, 75 % порошка низкоуглеродистого титана, 15 % плавикового шпата, 4 % фтористого натрия и 6 % соляной кислоты). Процесс проводят при 800…1000°С. Разрабатываются также способы газового титанировация - при пониженном давлении и температуре 1000 °С в присутствии титанового порошка или губки. Продол­жительность процесса варьируют от 2 до 6 ч. Образую­щийся поверхностный титанированный слой имеет очень высокую твердость.

Так у стали 45 поверхностная твер­дость достигает 27000 HV. Титанирование применяют для лопастей гребных винтов, поршней судовых двигателей, фильер для протяжки проволоки и т. п. При титанировании фильер из стали их износостойкость на 30 % превы­шает стойкость металлокерамического твердого сплава ВК8.

В последнее время разрабатывают способы многоком­понентного насыщения поверхности несколькими метал­лами и металлоидами. В случае насыщения метал­лами на поверхности обра­зуются слои со свойствами, характерными для легиро­ванных сталей. Наиболее широко пока разрабатывают методы двухкомпонентного насыщения (например, один из компонентов - бор, повы­шающий износостойкость, а второй - алюминий, повы­шающий жаростойкость). Кроме бороалитирования при­меняют также боросилицирование, боротитанирование, бороазотирование и многие другие.

Износостойкость бороалитированных, борохромированных, бороцирконированных изделий ниже, чем просто борированных, но эти покрытия менее хрупки и изделия выдерживают более высокие динамические нагрузки.

Еще более высокие свойства поверхностных слоев по­лучаются при трех- и более компонентном насыщении. Применяют также способ осаждения покрытий из карбидов и нитридов титана, циркония и других элемен­тов. Стойкость инструмента с покрытиями из карбидов титана повышается в 2,5…3,5 раза.

Толщина карбидного слоя 3…6 мкм получается за 2…3 ч при 1000 °С. В по­следнее время используют резцы с покрытиями из нитридов титана.

Это покрытие имеет меньшую твердость по сравнению с покрытием из карбида титана, но дает возможность работать с большими скоростями резания, так как уменьшается разогрев инструмента.

В заключение следует отметить, что скорость процессов диффузионной металлизации существенно различна в углеродистых и легированных сталях. При этом различные легирующие элементы могут, как ускорять, так и замедлять процесс диффузионной металлизации (рис. 98).

Рис. 98. Влияние легирующих элементов на толщину хромированного слоя

(температура хромирования 1100 ⁰С)

Дата добавления: 2014-01-05