Глава 5. Хромирование стали

Хромирование представляет собой процесс диффузионного насыщения поверхности стали хромом.

Хромирование производят с целью повышения поверхностной твердости, износостойкости, коррозионной и эрозионной стойкости, а также окалиностойкости изделий из углеродистых и легированных сталей.

Насыщение производят на сравнительно небольшую глубину 0,02—0,15 мм. Процесс основан на постепенном замещении железа в узлах кристаллической решетки основы атомами хрома. Благодаря способности хрома образовывать с железом непрерывный ряд твердых растворов (рис. 27), при диффузии хрома в железе в области температур 1100—1200° С образуется две фазы, представляющие собой твердые а и γ-растворы с различным содержанием хрома (рис. 28) вплоть до 100%.

§ 13. Технология процесса хромирования

Существует несколько основных методов хромирования: в порошкообразных смесях или обмазках, в вакууме, в газообразных средах и в жидкостях.

Наиболее просто хромирование можно проводить в твердой смеси, состоящей из порошка хрома или феррохрома, однако в настоящее время промышленное применение находят твердые смеси, включающие кроме указанных компонентов еще галогенидные соединения NH₄C1, NH₄J и т. д., а также наполнители типа глинозема, Аl₂Оз, каолина и другие для предотвращения спекания и налипания частиц хрома и феррохрома к поверхности деталей. Оптимальным соотношением основы и наполнителя считается отношение примерно 1:1, количество галогенидных солей ограничивается. 1—3,%. Наиболее употребительным является состав, содержащий 50% низкоуглеродистого феррохрома (не более 1,% С) или порошка хрома зернистостью 80—100 меш, 48—49% окиси алюминия и 1—2% NH₄C1.

Обезжиренные детали помещаются вместе с указанной смесью в контейнеры из малоуглеродистой или жаростойкой стали и хорошо герметизируются. Контейнеры могут быть с двойными крышками, сварные или с плавкими затворами. Для выхода газообразных продуктов реакций необходимо наличие в крышке отверстия диаметром 1—2 мм.

Основные химические реакции, проходящие в таком контейнере при высоких температурах, сводятся к следующим. В частности, хлористый аммоний при разложении образует хлористый водород

NH₄C1=NH₃+HCl, . (32)

который в случае применения хрома реагирует далее по реакции

Cr+2HCl=CrCl₂+H₂, (33)

а в случае применения феррохрома

(FeCr) + 4НС1 = FeCl₂ + CrCl₂ + 2Н₂. (34)

Образующийся аммиак также диссоциирует с образованием атомарного азота

2NH₃ =2N+3H₂, (35)

что приводит к образованию на поверхности слоя нитридов.

Дальнейшее протекание реакций возможно в нескольких вариантах:

CrCl₂= Cl₂+Cr; (36)

СгСl + Н₂ = 2НС1 + Сг; (37)

CrCl₂ + Fe (изделие) = FeCI₂ + Cr. (38)

Присутствие феррохрома позволяет производить восстановление хлорида железа по реакции

Cr+FeCl₂=Fe+ CrCl₂.

Таким образом, атомарный хром может быть получен или при непосредственном разложении хлорида хрома (38), или в результате восстановления этого хлорида водородом (37), или же при обменной реакции (38).

Однако кроме химических реакций (32)—(38) следует помнить, что доставка хрома к поверхности насыщаемого металла может быть осуществлена и непосредственно через паровую фазу. Дело в том, что хром при нагревании довольно легко испаряется и, имея большую, чем железо, упругость паров, позволяет производить хромирование не только контактным, но и безконтактным способом через паровую фазу. Разрежение еще более ускоряет процесс испарения хрома, и это лежит в основе вакуумного способа хромирования. При хромировании вакуумным способом изделия либо засыпаются порошком хрома, либо помещаются отдельно от него. Процесс проводят при разрежении 1,33—0,133Па.

Хромирование в газовой среде производится несколькими методами. При применении газовой фазы Н₂ + НС1 источник генерация хлоридов хрома (хром или феррохром) и изделия размещаются в реторте раздельно. Понятно, что НС1 необходим для получения хлоридов хрома по реакции (33) или (34). Водород не только является проводником газовой смеси, но и положительно воздействует на протекание химических реакций. Хлористый водород может быть использован в готовом виде. Также его можно получить путем пропускания водорода через сосуд с концентрированной соляной кислотой, в котором газ-проводник насыщается парами НС1.

Перед подачей в рабочее пространство газовая смесь обязательно осушивается и очищается от следов кислорода. Поступая в реторту печи со стороны нахождения в ней хрома (феррохрома), газовая смесь по реакциям (33) или (34) образует хлориды хрома и далее, омывая детали, приводит к насыщению поверхности стали хромом.

Существует метод непосредственного синтеза НС1 в реакционном пространстве путем пропускания через хром отдельно хлора и водорода, которые при смешивании образуют, благодаря цепной реакции, хлористый водород. Возможно также образование хлоридов хрома непосредственно воздействием газообразного хлора Cl₂ на измельченный хром.

Более простым является неконтактный метод газового хромирования с использованием готовых солей галогенидов хрома—CrCl₂, СгС1з, CrFе₂, CrJ₂. Соли хрома вместе с изделиями или отдельно от них помещаются в реторту, где в условиях вакуума (133—1,33 мПа) или в атмосфере водорода Н₂ + N₂ или азота по реакции типа (37) и (38) идет хромирование. Так как в процессе насыщения потеря солей не восполняется, то количество соли должно быть рассчитано заранее.

Жидкий метод хромирования в расплавах солей не нашел широкого промышленного применения, однако в ряде случаев его применение может быть эффективно. Основным является солевой расплав СгСl₂, для понижения активности и испаряемости которого вводят соли-стабилизаторы BaCl₂, CaCl₂, СгС1з в количестве до ~ 80%. Образование хрома идет по обменной реакции (38) и не идет только с применением соли СгС1з.

Интенсивно процесс протекает при отношении 5... 7. Преимуществом жидкостного хромирования является возможность регулирования глубины насыщения варьированием состава ванны.