Химико-термическая обработка с диффузионным насыщением металлами (диффузионная металлизация)

Диффузионная металлизация – процесс насыщения поверхностного слоя металла (изделия) одним или несколькими металлическими элементами, происходящий при химико-термической обработке.

Цель диффузионной металлизации – обеспечить различные физико-химические свойства поверхности: коррозионную стойкость, жаростойкость, износостойкость и др.

В зависимости от элемента (элементов), наносимого на поверхность, процессы диффузионной металлизации носят названия: борирование, хромирование, алитирование, ванадирование, титанирование, а при нанесении многокомпонентных покрытий – бороалитирование, хромоалитирование и др. При диффузионной металлизации используют свойства наносимых металлов.

Алюминий и хром являются стойкими к воздействию агрессивной среды при обычных температурах (т.е. коррозионностойкими) и при высоких температурах – в атмосфере горячих газов (т.е. жаростойкими).

Титан, ванадий и ниобий имеют сильное сродство к углероду и образуют в поверхностном слое карбиды VC, NbC, TiC, более твердые и более термостабильные, чем цементит или нитриды. В связи с этим износостойкость деталей после металлизации в несколько раз выше, чем после цементации или азотирования. Кроме того, эти карбиды более термостойкие, поэтому износостойкость сохраняется до температур порядка 1000°С.

Недостатком таких процессов, как хромирование, ванадирование, ниобирование и титанирование, является низкая скорость диффузии этих элементов (на 2 - 4 порядка ниже подвижности углерода и азота в стали). Вследствие этого для получения слоев толщиной 0,1 – 0,3 мм необходим нагрев до температур 950 – 1100°С, что не всегда приемлемо из-за укрупнения зерна.

Поверхностная закалка сталей

Основное назначение поверхностной закалки: повышение твердости, износостойкости и предела выносливости деталей (зубьев шестерен, шеек валов, направляющих станин металлорежущих станков и др.). Сердцевина детали остается вязкой и хорошо воспринимает ударные и другие нагрузки.

Общим для всех способов поверхностной закалки является нагрев поверхностного слоя детали до температуры выше критической точки Ас₃ с последующим быстрым охлаждением для получения структуры мартенсита.

При поверхностной закалке мартенсит образуется только в приповерхностном слое, а в сердцевине протекает диффузионный распад аустенита с образованием структур различной степени дисперсности (перлит, сорбит, троостит). Вязкая сердцевина обеспечивает хорошее сопротивление детали ударным нагрузкам.

Для поверхностной закалки могут применяться различные источники нагрева поверхности: газопламенный, токи высокой частоты, контактный нагрев, высококонцентрированные источники энергии (лазер, электронный пучок, плазменные потоки и т.д.).

Для деталей несложной формы наиболее часто применяют индукционную закалку с нагревом токами высокой частоты (ТВЧ). При этом способе изделие помещается в переменное электромагнитное поле. Для создания электромагнитного поля используется индуктор – одновитковый или многовитковый контур медной трубы, через который пропускается переменный электрический ток. Нагрев происходит вследствие того, что вблизи поверхности изделия индуктируются вихревые токи (токи Фуко). Охлаждение при закалке производится через отверстия индуктора (после выключения тока). Оно может быть водным спрейерным или водо-воздушным.

Преимущества закалки ТВЧ по сравнению с объемной закалкой:

– более мелкое зерно, так как высока скорость нагрева и отсутствует выдержка в аустенитной области;

– повышение предела выносливости: в два-три раза по сравнению с объемной закалкой;

– сокращение времени термообработки, повышение производительности;

– получение изделий без окалины;

– уменьшение коробления при закалке;

– возможность полной механизации и автоматизации процесса (включения его в поточную линию обработки, без разрыва технологического цикла).