Главная  Промышленность 

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 [ 38 ] 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65

акций, которые имеют различное значение для данного диффузионного насыщения. Наряду с основными или ведущими реакциями протекают побочные, иногда нежелательные превращения. Так, во время нагрева в алити-рующей смеси протекают следующие реакции:

NHCl-NHj-t- НС1; NH3-l/2Nj-t-3/2Hj; 2НС1 -t- 2/3 Al 2/3 AICI3 -t- H2.

Более легкие газы-водород, азот и хлористый водород-частично выходят через отверстия или плавкий затвор контейнера, а более устойчивые и тяжелые пары хлористого алюминия реагируют с алюминием по реакциям диспропорционирования

2/ЗА1С1з4-4/ЗАЫ2А1С1;

2/ЗА1С1з4- 1/3A1.:»A1C12.

Процерс алитирования различных сплавов происходит либо в результате выделения на насыщаемой поверхности алюминия по реакциям диспропорционирования, либо в результате взаимодействия субхлоридов AlClj и А1С1 с элементами насыщаемых сплавов по реакциям типа

AICI2 + Fe - 2/3 AICI3 -t- 1/3 РезА1;

AICI2 -t- Ni 2/3 AICI3 -t- 1/3 Ы1зА1;

AICI2 + 1/3 Fe 2/3 AICI3 -t- 1/3 FeAl.

В соответствии с приведенными реакциями в контейнере в ходе диффузионного насыщения алюминием восстанавливается AICI3, который вновь вступает в обратимые реакции.

На этом принципе основан циркуляционный метод диффузионного насыщения металлов различными элементами. Так, для алитирования в хлоридной фе-де достаточно в рабочую камеру установки, где находятся обрабатываемые детали и алюминий, ввести пары хлористого алюминия после удаления воздуха. При температуре алитирования в рабочей камере (муфеле) устанавливается термодинамическое равновесие составляющих газовой смеси (рис. 6.8), и процесс алитирования происходит в результате нарушения и восстановле-


то 160Р Температура

Рис. 6.8. Зависимость равновесных составов хлоридов алюминия от температуры при суммарном давлении 9,8- W Па: / - А1С1; 2 - AICI2; 3 - AICI3

ния этого равновесия как вблизи насыщаемой поверхности, так и вблизи поверхности расплавленного алюминия.

Циркуляционным методом можно проводить диффузионное насыщение не только алюминием, кремнием, хромом, но и рядом других элементов как в отдельности, так и совместно в специальной установке, схема которой показана на рис. 6.9.

В замкнутом рабочем пространстве установки диффундирующие элементы переносятся при систематическом восстановлении газа-переносчика в результате обратимых химических реакций. В муфеле установки предусматривается раздельное расположение насыщаемых деталей и материала, содержащего диффундирующий элемент. Движущая сила циркуляционного процесса-пфспад парциального давления газа-переносчика диффундирующего элемента между зонами расположения исходного материала и насыщаемого сплава. Перепад давлений порождается либо перепадом температур между зонами расположения диффундирующего элемента и деталей, либо перепадом активностей диффундирующего элемента в исходном материале и на поверхности насыщаемых деталей.

Термодинамический расчет равновес-




Рис. 6.9. Схема циркуляционной установки для диффузионного насыщения металлов (Э - диффундирующий элемент, Д - насыщаемые детали):

1,6 - патрубки газопроводов; 2 - муфель; 3 - реверсивный вентилятор; 4 - крышка муфеля; 5 - направляющий цилиндр

ного состава хлоридов алюминия при 900 °С показывает различие парциального давления дихлорида алюминия (газа-переносчика диффундирующего элемента) над поверхностью алюминия, где активность Од) = 1, и над поверхностью фазы FeAl, где = 0,066. Из табл. 6.3 видно, что равновесное парциальное давление дихлорида алюминия над поверхностью алюминия больше, чем над поверхностью FeAl, содержащего 50 ат. % алюминия.

ТАБЛИЦА 6.3. Равновесный состав хлоридов алюминия над поверхностью алюминия и фазы FeAl при 900°С

Контактная поверхность

Равновесное парциальное давление, отн. ед.

AICI3

AICI2

Д1С1

Жидкий алюминий Фаза FeAl

0,4530 0,7070

0,5338 0.2908

0,01414 0.00269

В результате принудительной циркуляции или естественной конвекции в муфеле установки обогащенная дихлори-дом алюминия газовая среда, вступая в контакт с насыщаемой поверхностью, стремится изменить свой состав в сторону уменьшения парциального давления AlCIj, т. е. становится возможной реакция диспропорционирования с образованием AICI3 и выделением алюминия на насыщаемой поверхности.

Таким же образом изменяется парциальное давление монохлорида алюминия, однако при расчетной температуре 900 °С его давление мало, поэтому А1С1 в этих условиях практически не участвует в переносе алюминия.

Диффузионное насыщение циркуляционным методом можно проводить в изотермических убловиях и при заданном температурном перепаде между зонами расположения деталей и диффундирующего элемента.

Для получения равномерных покрытий на деталях в муфеле циркуляционной установки поддерживается реверсируемое движение газовой среды.

Циркуляционный метод позволяет получать качественные диффузионные многокомпонентные покрытия в химически чистой газовой смеси, без балластных добавок и попутного насыщения другими элементами.

Процесс можно вести в безводородной (взрывобезопасной) галогенидной среде без выхода этих газов в окружающую атмосферу. Ведущими обратимыми реакциями таких процессов могут быть, например, следующие:

3AlClj<Al-f 2AICI3; 3AlJf±2Al + AlJ3; 3AlF2f±Al-l-2AlF3; 2SiCl2fiSi + SiCU; ZSiJjfiSi + SiJ; CrJ2f±Cr +J2; 2TiJ2f±Ti + TiJ4; 2BeClfiBe+ BeCl2.



Для поддержания незатухающего циркуляционного процесса диффузионного насыщения необходимо, чтобы рабочая газовая среда не вызывала обменных реакций с насыщаемым сплавом, затрудняющих восстановление газа-переносчика.

О возможности предполагаемых обменных реакций можно судить по расчетам свободной энергии Гиббса для температуры диффузионного насыщения. Реакция считается возможной при отрицательной величине свободной энергии Гиббса.

Насыщаемые металлы, как правило, должны образовывать менее устойчивые галоге-ниды, чем диффундирующие элементы. В связи с этим на основании предварительных термодинамических расчетов устанавливают ведущие обратимые реакции, варьируя четырьмя галоидами (С1, J, Вг, F).

Для получения многокомпонентных по-крьггий в рабочую камеру установки загружают одновременно несколько диффундирующих элементов, проведя предварительно термодинамический расчет состава образующейся газовой смеси.

Диффузионные покрытия можно также получать в расплавленных жидких средах.

Применяют жидкофазное алитирова-ние в расплавах на основе алюминия. Для предотвращения разъедания поверхности деталей в алюминиевую ванну добавляют основной металл насыщаемой поверхности. Например, при алитировании сталей добавляют 3-4% Fe. Однако жидкофазное алитирование не получило распространения в связи с налипанием алюминия на насыщаемую поверхность и другими недостатками.

Наиболее широко используется бори-рование сталей в расплавах буры с добавками восстановителей-карбидов бора и кремния (70% NazBO, -1-30% ВС или 70%Na2B4O.7 + 30%SiC). Насыщение бором проводят при температуре 850-1050 °С в течение 2-10 ч. Электролизное борирование в расплавленной буре значительно ускоряет процесс диффузионного насыщения. Катодом являются борируемые детали, анодом- графитовые электроды либо тигель из

коррозионно-стойкого сплава. Плотность тока на катоде 0,08-0,25 А/см. Электролизное борирование проводят при температуре 880-980 °С в течение 2-5 ч.

Алитированию, хромированию и си-лицированию подвергают сплавы на железной, никелевой и других основах. Эти диффузионные покрытия способны защ,ищать детали от окисления при высоких температурах, так как на их поверхности в окислительной среде образуются плотные пленки из AI2O3, СГ2О3 и Si02, препятствующие диффузии кислорода.

Хромирование среднеуглеродистых сталей (0,3 0,4% С) приводит к повышению поверхностной твердости и износостойкости, так как на поверхности образуется тонкий слой (0,025-0,030 мм) карбида (Сг, Ге)7Сз или (Сг, Ге)2зСб с твердостью HV 12000-13000. Несмотря на низкую твердость (HV 2000-3000), силицированный слой хорошо сопротивляется износу после предварительной пропитки маслом при 170-200°С.

Высокой износостойкостью обладают диффузионные боридные покрытия. Износостойкость борированной стали 45 в условиях трения скольжения выше в 4-6 раз износостойкости цементованных ив 1,5 - 3 раза нитроцементованных сталей.

Износостойкость двухфазных бо-ридных слоев (FeB, Fe2B) в 1,5-2 раза выше износостойкости однофазных слоев (Fe2B), а в условиях абразивного изнашивания находится на уровне износостойкости хромированных сталей.

Диффузионными покрытиями можно значительно повысить коррозионную стойкость углеродистых сталей в разбавленных водных растворах неорганических кислот.

Наибольшей стойкостью к действию 10%-ного водного раствора азотной кислоты обладают хромотитаниро-ванные и хромоалитированные стали. Несколько уступают им хромированные



0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 [ 38 ] 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65