10. Диффузионная металлизация

Диффузионной металлизацией называется ХТО, при которой поверхность стальных деталей насыщается различными элементами: алюминием, хромом, кремнием и др. После такой обработки повышаются жаростойкость (окалиностойкость), износостойкость, коррозионная стойкость. Поскольку при насыщении поверхности стали другими металлами должны образовываться твердые растворы замещения, диффузионная металлизация всегда требует большой затраты времени.

Алитирование

Алитирование (алюминирование) — процесс диффузионного насыщения металлов и сплавов алюминием с целью повышения жаростой­кости (работоспособность деталей может сохраняться при температурах до 1150 ^оС), окалиностойкости (для деталей из сталей с содержанием 0,1 – 0,2 % С), коррозионной и эрозионной стойкости, за счет образования на поверхности деталей прочного окисла Al₂O₃.

Алитированию под­вергают различные стали, чугуны, жаропрочные сплавы и туго­плавкие металлы, титановые, медные и другие сплавы. Наиболее изученным и широко применяемым является алитирование в порош­ковых смесях. В промышленности также применяют алитирование в ваннах с расплавленным алюминием или его сплавами и металлизацию поверхности сплавов алюминием с последующим диффузионным отжигом.

С целью получения качественных покрытий тщательно изучали процесс и отрабатывали технологию алитирования в различных порошковых смесях.

Для алитирования обычно используются порошковые смеси, содержащие алюминий (около 50 %), к которому добавляется оксид алюминия (А1₂О₃ — около 50 %) и 1—2 % (от смеси) хлористого аммония (NH₄C1). Широко применяется смесь, состоящая из ферроалюминия, к которому добавляется 0,5—2 % хлористого аммония. Проводится при температурах 800 – 1100 ^оС в течении 2 – 8 часов.

Существенным недостатком порошкового метода диффузионного насыщения является ослабление активности смеси при многократном использовании. Многократное использование смесей, составленных из 98 % FeAl (50 % AI) и 2 % NH₄C1, приводит к уменьшению концентрации алюминия в смеси до 39 % после 20-го процесса.

При этом концентрация алюминия в образующихся покрытиях уменьшается с 36 до 24 %, а толщина покрытия по сравнению с первым процессом уменьшается в шесть раз. Поэтому в производственных условиях для получения идентичных результатов разрабатывается специальный режим восстановления активности порошковой смеси (добавление определенного количества свежей смеси или активатора).

Силицирование

Силицирование — насыщение поверхности деталей кремнием. Ис­пользуют главным образом газовое силицирование. Детали поме­щают в ретортные печи, засыпают порошком ферросилиция, карбо­рунда, нагревают до 950—1050 °С и пропускают хлор. При газовом силицировании насыщение кремнием происходит интенсивно: после выдержки при 1050 °С в течение 2 ч получают слой в 1 мм. Коли­чество кремния в поверхностных слоях достигает 14%. В результате диффузионного насыщения поверхности кремнием (силицирования) повышается жаростойкость до 800—850 °С, слой хорошо сопро­тивляется истиранию и коррозионностоек даже в таких средах, как морская вода и некоторых кислотах, твердость и износостойкость металлов и сплавов.

При силицировании железа и стали на поверхности образуется α - фаза (твер­дый раствор кремния в α - железе). Иногда диффузионный слой в со­ответствии с диаграммой Fe—Si состоит из двух фазовых слоев: на поверхности образуется слой упорядоченной α' - фазы (Fe₃Si), а далее упомянутая ранее α - фаза.

Часто качество силицированного слоя значительно снижается из-за возникновения пористости. Причиной возникновения пори­стости считают различие парциальных коэффициентов диффузии встречно диффундирующих элементов в диффузионном слое. Напри­мер, при силицировании железа скорость диффузии кремния в на­правлении α' → α (от поверхности вглубь) превышает скорость диф­фузии железа в противоположном направлении, в α'-фазе возникают вакансии, которые затем объединяются в поры. Величина парциаль­ного коэффициента диффузии зависит от температуры насыщения, активности насыщающей среды и состава насыщаемого сплава. В связи с этим многим исследователям удавалось подобрать условия для получения беспористых силицидных покрытий на железе и сталях. Так, например, беспористые слои кремнистого феррита на стали 20 при 1100—1200 °С в течение 3—5 ч были получены в смеси моносилана SiH₄ (6—10 л/ч) с диссоциированным аммиаком либо аргоном, либо азотом (15—20 л/ч) или водородом (20—30 л/ч). Моносилан предварительно получали в специальной установке из триэтоксилана в присутствии натрия по следующей формуле: