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
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:
- Высокая окалиностойкость. Это свойство связано с процессом образования защитной пленки на поверхности изделия при его нагреве.
- Высокая защита от окислительных процессов.
- Высокие антикоррозионные свойства. В результате алитирования изделие может использоваться даже при условии воздействия морской воды.
- 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:
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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:
- Углеродистые стали. При этом преимущественно используются низкоуглеродистые стали, реже среднеуглеродистые. При высоком содержании углерода в составе процедура становится малоэффективной.
- Легированные стали применяются реже, но при правильном проведении технологии можно получить износостойкие детали.
- 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.
Действующий
РД 50-412-83
РУКОВОДЯЩИЙ НОРМАТИВНЫЙ ДОКУМЕНТ
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
Надежность в технике. Упрочнение деталей машин.
Выбор режимов алитирования по долговечности. Общие требования
Дата введения 1984-07-01
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. N 2900
ВВЕДЕНЫ ВПЕРВЫЕ
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.
1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
1.1. Алитирование - один
из видов химико-термической обработки, заключающийся в диффузионном
насыщении поверхности изделий алюминием (общие принципы
алитирования приводятся в справочном приложении 1).
1.2. При диффузионном
алитировании достигается:
высокая концентрация
алюминия на поверхности изделий от 9 до 70%*;
прочная связь
диффузионного слоя с металлом основы;
равномерное покрытие всех
частей поверхности изделий;
толщина диффузионного
слоя от 0,02 до 2,5 мм;
увеличение размеров
изделий от 0,01 до 0,5 мм;
поверхностная твердость
до 700 HV.
______________
*
Здесь состав приводится в % по массе.
1.3. Алитирование при
оптимальном содержании алюминия в поверхностном слое придает
изделию особые физико-химические и механические свойства,
позволяющие повысить надежность изделий, работающих в условиях:
окисления при высокие
температурах (до 1200 °С);
изотермического окисления
до 1100 °С;
циклического окисления до
1000 °С;
коррозии в морской воде и
20%-ном растворе серной кислоты;
износа, эрозии и
кавитации;
схватывания рабочих
поверхностей машин при высоких температурах;
знакопеременных
нагрузок;
ползучести при высоких
температурах;
термических ударов.
1.4. Алитированию
подвергаются изделия (из стали, никелевых сплавов) любой формы,
позволяющей осуществить контакт с алитирующей средой.
1.5. Шероховатость
поверхности изделий после алитирования остается неизменной или
несколько уменьшается.
1.6. Сравнительные
характеристики методов алитирования в порошковых смесях, в ваннах с
расплавленным алюминием, металлизации и методом окраски с
последующим высокотемпературным отжигом, приводятся в табл.1.
Таблица 1
Сравнительные характеристики методов алитирования
|
Преимущества |
Недостатки |
Форма изделия,
подвергаемого алитированию |
|
|
В порошковых смесях |
Возможность получения диффузионных слоев с широким диапазоном концентрации А1 (9-70%) Равномерный по толщине диффузионный слой Стабильный процесс Хорошее сцепление диффузионного слоя с основой Возможность алитирования изделий практически любой
конфигурации |
Высокая температура (800-1050 °С) и длительность процесса Сложность предохранения определенных поверхностей от насыщения Засорение каналов изделий насыщающей смесью Относительно высокая трудоемкость и стоимость процесса, сложность
его механизации |
Изделия сложных форм мелкосерийного и единичного производства |
|
В ваннах с расплавленным алюминием |
Невысокая температура (700-800 °С) и малая длительность (1-15 мин) процесса Низкая трудоемкость и стоимость процесса Высокая однородность получаемых покрытий, точное регулирование их толщины Возможность непрерывного ведения процесса насыщения |
Низкая стойкость тиглей Налипание расплава и окисной пленки на поверхность изделий Частичное растворение в ванне обрабатываемых изделий |
Изделия простых форм во всех видах производства |
|
Металлизация
с |
Относительная простота проведения процесса |
В некоторых случаях недостаточное сцепление напыленного слоя с изделием Наличие окислов в диффузионном слое. Пористость напыленного
слоя |
|
|
Нанесение красок с последующим высокотемпературным отжигом. |
Простота проведения процесса Избирательное алитирование отдельных поверхностей |
Неравномерность распределения краски по поверхности, приводящее к
неравномерности толщины диффузионного слоя |
Изделия любых форм, не имеющие внутренних полостей, в мелкосерийном и единичном производстве |
2. СТАЛИ И СПЛАВЫ ДЛЯ АЛИТИРОВАНИЯ
2.1. Выбор алитируемой
стали и сплава определяется назначением изделия, конкретными
условиями его эксплуатации, целью, с которой проводится процесс
поверхностного диффузионного насыщения.
2.2. Алитированию
подвергают углеродистые, легированные стали, а также сплавы на
никелевой основе.
2.3. Толщина
диффузионного слоя при алитировании зависит от химического состава
стали и сплава. Влияние легирующих элементов и углерода на толщину
слоя приведено на черт.1.
Черт.1. Влияние углерода (а) и легирующих элементов (б) на толщину алитированного слоя для армко-железа (алитирование в порошках при 950 °С, 6 ч)
Влияние углерода (а
) и легирующих
элементов (б
) на толщину алитированного слоя
для армко-железа (алитирование в порошках при 950 °С, 6
ч)
2.4. Работоспособность
изделий (в том числе поверхности) достигается оптимальными
технологическими режимами алитирования и термической обработкой
изделий до и после алитирования. Режимы предварительной термической
обработки для некоторых сталей и сплавов приводятся в справочном
приложении 2.
2.5. В случае, когда
работоспособность изделия зависит от величины зерна, следует
использовать стали или сплавы, легированные (микролегированные)
элементами, препятствующими росту зерна при нагреве (например,
титаном, ванадием, редкоземельными элементами).
3. ВЫБОР МЕТОДОВ И ТЕМПЕРАТУРНО-ВРЕМЕННЫХ РЕЖИМОВ АЛИТИРОВАНИЯ ПО ДОЛГОВЕЧНОСТИ
3.1. Необходимая
долговечность изделий при эксплуатации достигается при оптимальной
толщине и структуре диффузионного слоя в сочетании с необходимым
уровнем физико-механических характеристик материала основы.
Оптимальная толщина и структура диффузионного слоя стали или сплава
зависит от метода и температурно-временных режимов алитирования.
Физико-механические характеристики материала зависят от режимов
термической обработки.
Принципиальная схема
выбора методов, параметров алитирования в зависимости от заданной
долговечности изделий приведена на черт.2.
Черт.2. Схема выбора методов, параметров алитирования по долговечности
Схема выбора методов, параметров алитирования по
долговечности
3.2. При выборе методов и
температурно-временных режимов алитирования производят:
анализ существующих
зависимостей между долговечностью, толщиной, структурой
алитированного слоя для материала изделий или близкого ему по
химическому составу, для различных методов алитирования;
экспериментальное
апробирование выбранных методов и режимов алитирования на
контрольных образцах (изделиях);
алитирование опытной
партии изделий.
3.3. Исходные режимы и
методы алитирования выбирают по справочным материалам или на
основании данных, приведенных в справочном приложении 3.
3.3.1. Методы
алитирования выбирают в зависимости от требований долговечности
изделий, объема производства, техники безопасности и экономики.
Некоторые справочные данные приведены в табл.1.
3.3.2. Для выбранного
метода алитирования на контрольных образцах (изделиях),
изготовленных из стали (сплава), заданного состава и имеющих
одинаковую с изделиями шероховатость, определяют
температурно-временные зависимости толщины и структуры
диффузионного слоя.
3.4. Связь между толщиной
(структурой) слоя и долговечностью устанавливают экспериментальным
путем на изделиях или контрольных образцах, изготовленных из одной
и той же марки стали (сплава), имеющих одну и ту же шероховатость
поверхности и прошедших одинаковую термическую обработку (в одной
среде).
3.4.1. Конфигурация и
размеры контрольных образцов должны отражать наиболее характерные
конструктивные особенности изделия.
3.4.2. Испытания на
долговечность проводят в условиях, близких к эксплуатационным.
Количество образцов должно быть достаточным для установления
надежной корреляции между изучаемыми характеристиками.
3.4.3. Характерные
зависимости изменения долговечности изделий от толщины
алитированного слоя схематично показаны на черт.3.
Черт.3. Схема выбора оптимальной долговечности
Схема выбора оптимальной долговечности
3.4.4. За оптимальную
толщину алитированного слоя принимается такая, при незначительном
изменении которой долговечность изделия (контрольных образцов)
практически остается постоянной и остается выше уровня заданной
долговечности (на черт.1-5 справочного приложения 3 приведены
экспериментальные зависимости). В случае, когда уровень заданной
долговечности не достигается, меняют методы алитирования или
материал изделия.
3.5. По выбранным режимам
проводят алитирование опытной партии изделий, на которой проводят
оценку их долговечности. При наличии надежной корреляции
допускается производить оценку долговечности по косвенным признакам
(толщина алитированного слоя, твердость поверхностная, микро- и
макроструктура и др.). При положительных результатах испытаний
оформляется технологическая карта, и процесс внедряется в
производство.
3.6. В производстве
заданную долговечность изделий обеспечивают стабильностью и
качеством технологического процесса алитирования при ведении
систематического контроля параметров качества.
4. АЛИТИРОВАНИЕ В ПОРОШКАХ
4.1. Алитирование с
применением порошковой смеси проводят по одному из вариантов
технологии:
с
применением контейнера с плавким затвором, который обеспечивает
герметизацию реакционного пространства и позволяет производить
нагрев при алитировании в обычных термических печах;
с
применением контейнера без плавкого затвора при использовании
специальных печей, где для защиты от окисления алитирующей смеси и
изделий применяются инертные атмосферы (например, продукты
диссоциации природного газа, аргон и др.).
4.2. Для алитирования
используют порошки, состав которых приводится в табл.2.
Примечание. Допускается
использование и других составов смесей, прошедших промышленное
апробирование.
Таблица 2
Составы порошковых смесей для диффузионного алитирования
|
Номер смеси |
Компоненты |
Химическое
обозначение |
Номер НТД на компоненты |
|
|
Алюминий |
ГОСТ 295-79E* |
|||
|
Окись алюминия |
ГОСТ 8136-76** |
|||
|
Хлористый аммоний |
||||
|
Ферроалюминий |
||||
|
Окись алюминия |
ГОСТ 8136-76** |
|||
|
Хлористый аммоний |
||||
|
Ферроалюминий |
||||
|
Окись алюминия |
ГОСТ 8136-76** |
|||
|
Хлористый аммоний |
||||
|
Ферроалюминий |
||||
|
Окись алюминия |
ГОСТ 8136-76** |
|||
|
Хлористый аммоний |
||||
|
Ферроалюминий |
||||
|
Хлористый аммоний |
________________
*
На территории Российской Федерации действует ГОСТ
295-98 .
** На территории
Российской Федерации действует ГОСТ
8136-85 . - Примечание изготовителя базы данных.
Примечания:
1. В скобках указано
варьирование компонентов.
2. Допускается вместо
хлористого аммония применять йодистый аммоний (ГОСТ 3764-75).
4.3. Технологический
процесс алитирования состоит из:
приготовления порошковой
смеси;
подготовки изделий;
загрузки изделий в
контейнер;
проведения процесса;
выгрузки и очистки
изделий;
термической обработки
(при необходимости);
контроля качества.
4.4. Компоненты, входящие
в смеси для алитирования, измельчают (например, в шаровых
мельницах) до размеров частиц 150-600 мкм. Посторонние примеси
(бумага, дерево, металлические частицы и др.) в смесях,
подготовленных для проведения процесса, не допускаются.
4.5. Перед употреблением
хлористый аммоний просушивают при температуре 130-150 °С в течение
1,5-2 ч с последующим охлаждением на воздухе. При хранении
хлористого аммония более 5 сут операцию просушки повторяют. Окись
алюминия прокаливают при температуре 600-700 °С в течение 2-3
ч.
4.6. Подготовленные
компоненты смеси взвешивают на технических весах (с точностью 0,5%)
в соотношениях, приведенных в табл.2, затем тщательно перемешивают
до получения однородной массы, которую помещают в контейнер и
прокаливают в течение 2-3 ч при температуре выбранного режима.
После этого смесь пригодна для алитирования. При спекании частиц
смеси ее дополнительно измельчают.
4.7. При алитировании
происходит ослабление активности смеси, поэтому для стабилизации
процесса необходимо в отработанную смесь добавлять свежей.
Примечание. При
алитировании в смеси 98% FeAl и 2% NHCl при 1050 °С в течение 24 ч обеднение
смеси алюминием составляет 8,5-9%, поэтому при последующем
алитировании необходимо в смесь добавлять 20% свежей смеси. Для
алитирования при 950-1000 °С в течение 6-10 ч достаточно добавлять
10-15% свежей смеси, а при 860 °С в течение 10 ч алитирование может
производиться многократно без освежения, с добавкой только 0,5-1,0%
NHCl.
4.8. Алитированию
подвергают изделия, имеющие сухую, чистую обезжиренную поверхность
без следов окисления. При наличии окислений и загрязнений изделия
подвергают очистке электрокорундом N 12-16 или в специальных
растворителях. Перед упаковкой в контейнер изделия необходимо
обезжирить согласно ГОСТ 9.047-75.
4.9. Для алитирования
используют контейнеры двух типов: с плавким и без плавкого затвора
(п.4.1). В качестве примера на черт.1-4 приложения 4 приведены
различные варианты контейнеров для алитирования.
4.9.1. Размеры и форму
контейнеров подбирают в соответствии с размерами изделий,
подвергаемых алитированию, и нагревательных устройств. Контейнеры с
плавким затвором изготовляют из жаростойких сталей или сплавов
(например, 20Х23Н18). При применении контейнера без плавкого
затвора в качестве материала контейнера могут использоваться и
низколегированные стали. Контейнер, особенно при повторных
употреблениях, контролируют на отсутствие повреждений.
4.9.2. Для герметизации
внутренней части контейнера плавкий затвор собирают в следующей
последовательности:
засыпают в желоб плавкого
затвора кварцевый песок (ГОСТ
22551-77) на высоты;
устанавливают крышку
контейнера, утопив ее в песок;
засыпают на 20-30 мм в
образующуюся щель между крышкой контейнера и желобом размельченную
натрийсиликатную глыбу (ГОСТ 13079-81) с размером частиц меньшим,
чем ширина щели между крышкой и желобом контейнера.
Крышку контейнера
фиксируют в рабочем положении (например, прутком-фиксатором через
проушины).
4.10. В одном контейнере
можно алитировать как одно, так и несколько изделий (партий).
Изделия с большими линейными размерами (например, шток, труба и
др.) алитируют в вертикальном положении с использованием
специальных приспособлений. Приспособления для определенной
ориентации изделий в контейнере используют и в других случаях.
4.11. При загрузке
изделий в контейнер и засыпкой их рабочей смесью соблюдают
следующие требования:
расстояние между дном
контейнера и изделием не менее 30 мм;
расстояние между
изделиями или изделиями и стенками контейнера не менее 15 мм;
расстояние между крышкой
контейнера и изделиями не менее 50 мм;
смесь в контейнере слегка
утрамбовывают;
время с момента загрузки
и до начала алитирования не должно превышать 24 ч.
4.12. Для контроля
процесса алитирования в контейнер помещают контрольные образцы (2-3
шт.), располагая их в различных зонах контейнера. Контрольные
образцы изготовляют из той же марки стали, той же плавки и
подвергают той же предварительной термической обработке, что и
изделие. В отдельных случаях допускается изготовлять контрольные
образцы из стали другой плавки.
4.13. Нагревательные печи
для алитирования должны:
обеспечивать нагрев
изделий в контейнере до 1200 °С;
иметь равномерное
температурное поле в объеме садки ±10 °С;
иметь систему
автоматического регулирования для поддержания заданной температуры
в период проведения процесса с точностью ±10 °С;
иметь вытяжную вентиляцию
в соответствии с действующими санитарными нормами;
иметь устройства,
обеспечивающие постоянный состав защитной атмосферы в период
проведения алитирования.
4.14. Контейнер (или
несколько контейнеров) с плавким затвором помещают в печь, нагретую
до 200-300 °С. Скорость нагрева контейнера с изделиями в интервале
300-600 °С не более 100 °С в час, далее нагрев производят с
максимальной скоростью до заданной температуры. Продолжительность
выдержки контейнера в печи исчисляют с момента прогрева контейнера
до требуемой температуры.
4.15. Охлаждение
контейнера производят с печью до температуры не выше 500 °С, затем
на спокойном воздухе. Контейнер с изделиями, для которых после
алитирования не требуется высокая точность по размерам, допускается
охлаждать на воздухе с температурой 800 °С.
4.16. При использовании
контейнеров без плавкого затвора алитирование проводят в печах с
защитной атмосферой (эндогаз, аргон) при избыточном давлении или
при герметизации рабочего пространства печи.
4.16.1. Контейнер без
плавкого затвора помещают в печь, нагретую не выше 300 °С, затем ее
герметизируют и подключают систему создания в печи защитной
атмосферы (например, продукты диссоциации природного газа, аргон и
др.). После установления в объеме печи стабильной защитной
атмосферы производят нагрев контейнера со скоростью 75-100 °С в час
до температуры рабочего режима. Охлаждение контейнера производят с
печью до температуры не более 300 °С.
4.17. Разборку контейнера
производят после его остывания до комнатной температуры, но не
позднее 24 ч с момента достижения температуры 100 °С. Необходимо
обратить внимание на то, чтобы посторонние компоненты (например,
натросиликатная глыба) не попали в рабочий порошок. Содержимое
контейнера выгружают в специальный поддон или другое устройство.
Вынутые из контейнера изделия очищают от порошка, промывают в
теплом содовом растворе, а затем просушивают.
4.18. Внешними признаками
нормально прошедшего процесса алитирования являются:
гладкое зеркало застывшей
натросиликатной глыбы в затворе контейнера с плавким затвором;
рассыпчатость смеси и ее
светло-серый цвет;
отсутствие значительного
налипания частиц порошка на поверхность изделий;
светло-серый цвет
алитированной поверхности изделий.
4.19. По окончании
процесса алитирования рабочую смесь высыпают в герметически
закрываемую тару. Если перед следующим потреблением смесь окажется
влажной (хлористый аммоний гигроскопичен), то ее просушивают при
температуре 150-250 °С, а затем при необходимости измельчают.
5. АЛИТИРОВАНИЕ В ВАННАХ С РАСПЛАВЛЕННЫМ АЛЮМИНИЕМ
5.1. Алитирование
проводят в ваннах в расплаве алюминия или его сплавов при
температурах 700-850 °С в течение от нескольких секунд до десятков
минут в зависимости от состава стали или сплава, необходимой
толщины и структуры диффузионного слоя.
5.2. Технологическое
оборудование для алитирования в ваннах следующее:
печь-ванна;
система автоматики и
устройств для контроля и поддержания температуры;
приспособления для
загрузки (выгрузки) изделий;
приспособления для
очистки поверхности изделий от алюминия.
5.3. Технологический
процесс алитирования изделий в ваннах с расплавленным алюминием
состоит из следующих операций:
приготовление ванны;
подготовка
поверхности;
проведение процесса
алитирования;
выгрузка изделий из ванны
и их очистка;
термическая обработка
(при необходимости);
контроль качества.
5.3.1. Приготовление
ванны для алитирования осуществляется в следующей
последовательности. В тигель загружают флюс (составы флюса
приведены в табл.3) и нагревают до температуры 900-950 °С (для
обезвоживания флюса). Затем небольшими порциями в расплав флюса
добавляют алюминий (А99). Толщину флюса 6-10 мм поддерживают
постоянно в течение всего процесса. Для предотвращения разъедания
изделий при алитировании в жидкий алюминий вводят 3-9% железа (по
массе) в виде проволоки или стружки. Для поддержания концентрации
железа на определенном уровне проводят химический анализ состава
ванны каждый раз перед алитированием новой партии изделий.
Таблица 3
Составы флюсов для алитирования в ваннах с расплавленным алюминием
Идет завершение процесса оплаты.
Платеж не был завершен из-за технической ошибки, денежные средства с вашего счета
списаны не были. Попробуйте подождать несколько минут и повторить платеж еще раз.
Методы алитирования
Алитированию подвергают чаще низкоуглеродистые стали, реже - среднеуглеродистые и чугуны. Технологии алитирования были разработаны еще в начале ХХ в. К примеру, технологию алитирования в порошкообразных смесях разработали в 1927 - 1930 гг. А.Н. Минкевич, Н.В. Агеев и О.И. Вер. В 1934 г. В.А. Плотников, Н.Г. Грицианский и К.Л. Маковец предложили метод электролизного алитирования. Алитирование в ваннах с расплавленным алюминием подробно изучено еще в 1932 г. Ф.Г. Никоновым.
Для получения металлической связи между железом и алюминием и его сплавами применяют различные методы алитирования, основными из которых являются:
Алитирование в порошкообразных смесях;
Алитирование расплавлением и напылением;
Алитирование в вакууме;
Газовое алитирование;
Плакирование;
Электролитическое покрытие;
Алитирование погружением в расплавленный алюминий или его сплав;
Алитирование в порошкообразных смесях
Подготовленные детали упаковывают в воздухонепроницаемые реторты, барабаны и засыпают алитирующей смесью. Смесь состоит из алюминиевой пудры или порошка и добавок. В состав добавок входят окись алюминия или молотая глина (для предотвращения спекания) и хлористый аммоний или хлористый алюминий (для защиты изделий и алюминия от окисления).
Температура при котором протекает процесс составляет 900-1080 °С, продолжительность процесса, в зависимости от состава смеси и температуры процесса составляет от 4 до 30 ч.
Алитирование напылением
На предварительно очищенную поверхность наносят путем распыления определенный слой алюминия. Процесс покрытия состоит в плавлении наносимого металла и распылении его струей сжатого воздуха под давлением 2-4 атм. с помощью специальных метализаторов.
Прочность сцепления такого нанесения низкая и составляет 0,2-2 кг/мм2. При этом способе алитирования сцепление не происходит не только между основным металлом и покрытием, но также и между отдельными слоями и частицами алюминия, в результате чего напыленный слой обладает повышенной пористостью.
Для повышения прочности сцепления покрытия с основным металлом, а также повышения плотности рекомендуется проводить после алитирования длительный отжиг при 950-1080 °С.
Алитирование в вакууме
Этот процесс аналогичен предыдущему. Покрытие наносится путем испарения алюминия и осаждении его на изделии. Толщина покрытия составляет десятых долей микрон, а качество покрытия в данном случае выше.
Для алюминирования требуются высоковакуумные камеры с давлением 10-3-10-5мм.рт.ст.. Для нагрева алюминия до 1400 применяют электроннолучевые установки. Толщина получаемого покрытия пропорциональна длительности испарения алюминия и составляет 0,08-2,5 мкм. При этом способе нанесения алюминия покрытие получается равномерное, без пор, не содержащее железоалюминиевого промежуточного слоя.
Для получения прочного сцепления покрытия с основой, полосу или деталь предварительно нагревают до 175 - 370 °С. Предварительная подготовка поверхности должна быть тщательной, так как наличие оксидных пленок существенно влияет на качество сцепления.
Ввиду сложности и высокой стоимости процесса этот вид нанесения покрытия в основном для деталей самого ответственного назначения.
Плакирование
Этот метод состоит в совместной прокатке листов стали и алюминия. При обжатии обеспечивается металлическая связь между алюминием и сталью, в результате чего получается биметаллическая полоса или жесть.
Сила сцепления стали и алюминия повышается последующим отжигом. Этот способ применяют в основном для получения листов, полос и труб.
Гальваническое покрытие
Такое покрытие наносят либо в безводных электролитах, состоящих из смесей расплавленных солей хлористого алюминия и хлоридов щелочных металлов, либо в неорганических электролитах, содержащих соединения алюминия в бромэтиле и бензоле.
Электролит может состоять из 80% AlCl3 и 20% NaCl, тогда процесс ведут при температуре 175 °С и плотности тока 1,6 А/дм2.
Изделие перед покрытием должно быть хорошо очищено, обезжирено и протравлено в растворе соляной кислоты. Скорость осаждения алюминия незначительна и составляет, ориентировочно, 0,01 мм за 30 мин.
Данный способ обладает рядом недостатков: во-первых, в состав электролита входит хлористый алюминий, который является очень летучим, гигроскопичным и может разлагаться даже при нормальных условиях, и при плавлении которого происходит испарение ее из ванны, что приводит изменению состава электролита, и во-вторых способ крайне медленный и мало экономичен.
Алитирование методом погружения
Этот метод лишен отмеченных выше недостатков. Основным преимуществом его является быстрота алитирования (от 1 до 15 мин.), сравнительно низкие температуры (600-800°С) и простота. Кроме того алитирование погружением является наиболее дешевым по сравнению с другими методами.
Сущность способа состоит в погружении стального изделия с чистой металлической поверхностью в жидкий алюминий или его сплав и выдержки в нем в течение определенного времени. При этом поверхностный слой металла растворяется в алюминии, вступает с ним во взаимодействие. Реакция взаимодействия и диффузия протекают очень быстро, благодаря чему слой толщиной 0,02-0,10 мм образуется в течение 1-15 мин. Процесс алитирования ведут при температуре 700-800°С.
Из выше изложенного материала можно сделать вывод, что наиболее перспективным вариантом является алитирование методом погружения с последующим диффузионным отжигом.