Химико-термическая обработка металлов

Химико-термическая  обработка

Химико-термическая  обработка металлов, совокупность технологических  процессов, приводящих к изменению химического  состава, структуры  и свойств поверхности  металла без изменения  состава, структуры  и свойств его  сердцевидных зон. Осуществляется с помощью диффузионного  насыщения поверхности  различными элементами при повышенных температурах. Выбор элемента (или  комплекса элементов) определяется требуемыми свойствами поверхности  детали. Насыщение  производят углеродом (цементация), азотом (азотирование), азотом и углеродом (нитроцементация, цианирование), металлами (см.Диффузионная металлизация), бором (борирование), кремнием (силицирование) и т.д.

В зависимости  от физико-химического  состояния среды, содержащей диффундирующий элемент, различают  Х.-т. о. из газовой, жидкой, твёрдой или паровой  фазы (чаще применяются  первые 2 метода). Х.-т. о. проводится в газовых, вакуумных или  в ванных печах. Х.-т. о. подвергаются изделия  из стали, чугуна, чистых металлов, сплавов  на основе никеля, молибдена, вольфрама, кобальта, ниобия, меди, алюминия и др.

Физико-химические процессы, происходящие вблизи поверхности  при Х.-т. о., заключаются  в образовании  диффундирующего  элемента в атомарном  состоянии вследствие химических реакций  в насыщающей среде  или на границе  раздела среды  с поверхностью металла (при  насыщении из газовой  или жидкой фазы), сублимации диффундирующего  элемента (насыщение  из паровой фазы), последующей сорбции  атомов элемента поверхностью металла и их диффузии в поверхностные слои металла. Концентрация диффундирующего элемента на поверхности металла, а также структура и свойства диффузионного слоя зависят от метода Х.-т. о. Глубина диффузии элемента возрастает с повышением температуры (по экспоненциальному закону) и с увеличением продолжительности процесса (по параболическому закону). Диффузионный слой, образующийся при Х.-т. о. деталей, изменяя структурно-энергетическое состояние поверхности, оказывает положительное влияние не только на физико-химические свойства поверхности, но и на объёмные свойства деталей. Х.-т. о. позволяет сообщить изделиям повышенную износостойкость, жаростойкость, коррозионную стойкость, усталостную прочность и т.д. (см. статьи о конкретных процессах Х.-т. о.).

Лит.: Минкевич А. Н., Химико-термическая обработка металлов и сплавов, 2 изд., М., 1965; Райцес В. Б., Технология химико-термической обработки на машиностроительных заводах, М., 1965; Самсонов Г. В., Эпик А. П., Тугоплавкие покрытия, 2 изд., М., 1973; Дубинин Г. Н., О механизме формирования диффузионного слоя, в сборнике: Защитные покрытия на металлах, в. 10, К., 1976.

Г. Н. Дубинин.

Цементация (в  цветной металлургии)

Цементация  в цветной металлургии, гидрометаллургический  процесс, основанный на вытеснении более  электроположительных металлов из растворов  их соединений менее  электроположительными  металлами, находящимися в твёрдом состоянии. Например, нормальный электрохимический  потенциал меди + 0,344 в, цинка — 0,762 в; эта разность потенциалов позволяет осуществлять реакцию Cu²⁺_{раствор} + Zn_мeталл ® Zn²⁺_{раствор} + Cu_мeталл.. Чем больше разность потенциалов, тем меньше остаточное содержание в растворе осаждаемого металла. Ц. широко применяют для очистки растворов от примесей и для извлечения металлов из растворов. Процесс может быть применен также для осаждения металлов из расплавленных шлаков.

Лит.: Плаксин И. Н., Юхтанов Д. М., Гидрометаллургия, М., 1949; Масленицкий И. Н., Чугаев Л. В., Металлургия благородных металлов, М., 1972; Набойченко С. С., Смирнов В. И., Гидрометаллургия меди, М., 1974.

Азотирование

Азотирование, насыщение поверхности  металлических деталей  азотом с целью  повышения твёрдости, износоустойчивости, предела усталости  и коррозионной стойкости. А. подвергают сталь, титан, некоторые  сплавы, наиболее часто  — легированные стали, особенно хромоалюминиевые, а также сталь, содержащую ванадий  и молибден.

Азотирование  стали происходит при t 500—650 °С в среде аммиака. Выше 400 °С начинается диссоциация аммиака по реакции NH₃ ® 3H + N. Образовавшийся атомарный азот диффундирует в металл, образуя азотистые фазы. При температуре А. ниже 591 °С азотированный слой состоит из трёх фаз (рис.): e — нитрида Fe₂N, g' — нитрида Fe₄N, a — азотистого феррита, содержащего около 0,01% азота при комнатной температуре. При температуре А. 600—650° С возможно образование ещё и g-фазы, которая в результате медленного охлаждения распадается при 591°C на эвтектоид a + g¹. Твёрдость азотированного слоя увеличивается до HV = 1200 (соответствует 12 Гн/м²)и сохраняется при повторных нагревах до 500—600°C, что обеспечивает высокую износоустойчивость деталей при повышенных температурах. Азотированные стали значительно превосходят по износоустойчивости цементированные и закалённые стали. А. — длительный процесс, для получения слоя толщиной 0,2—0,4 мм требуется 20—50 ч. Повышение температуры ускоряет процесс, но снижает твёрдость слоя. Для защиты мест, не подлежащих А., применяются лужение (для конструкционных сталей) и никелирование (для нержавеющих и жаропрочных сталей). Для уменьшения хрупкости слоя А. жаропрочных сталей иногда ведут в смеси аммиака и азота.

Азотирование  титановых сплавов  проводится при 850—950 °С в азоте высокой  чистоты (А. в аммиаке  не применяется из-за увеличения хрупкости  металла).

При А. образуется верхний тонкий нитридный  слой и твёрдый  раствор азота  в a-титане. Глубина  слоя за 30 ч — 0,08 мм с поверхностной твёрдостью HV = 800—850 (соответствует 8—8,5 Гн/м²). Введение в сплав некоторых легирующих элементов (Al до 3%, Zr 3—5% и др.) повышает скорость диффузии азота, увеличивая глубину азотированного слоя, а хром уменьшает скорость диффузии. А. титановых сплавов в разреженном азоте [100—10 н/м² (1—0,1 мм рт ст.)] позволяет получать более глубокий слой без хрупкой нитридной зоны.

А. широко применяют в промышленности, в том числе  для деталей, работающих при t до 500—600 °С (гильз цилиндров, коленчатых валов, шестерён, золотниковых пар, деталей топливной аппаратуры и др.).

Лит.: Минкевич А. Н., Химико-термическая обработка металлов и сплавов, 2 изд., М., 1965: Гуляев А. П..Металловедение, 4 изд., М., 1966.

Д. И. Браславский.

Нитроцементация

Нитроцементация, разновидность химико-термической обработки, заключающаяся в диффузионном насыщении из газовой среды поверхности стали (чугуна) азотом и углеродом при 500—700 °С (низкотемпературная Н.) или при 840—930 °С (высокотемпературная Н.). По строению и свойствам образующийся при Н. диффузионный слой (0,25—1,5 мм) сходен с цианированным слоем (см. Цианирование). Н. повышает износостойкость, усталостную и контактную прочность металла, а в ряде случаев и его коррозионную стойкость; применяется для увеличения долговечности и надёжности деталей машин.

Лит.: Минкевич А. Н., Химико-термическая обработка металлов и сплавов, 2 изд., М., 1965.

Цианирование (в  сталелитейном пр-ве)

Цианирование  стали, разновидность химико-термической обработки, заключающаяся в комплексном диффузионном насыщении поверхностного слоя стали углеродом и азотом в расплавах, содержащих цианистые соли, при 820—860 °С (среднетемпературное Ц.) или при 930—950 °С (высокотемпературное Ц.). Основная цель Ц. — повышение твёрдости, износостойкости и предела выносливости стальных изделий. В процессе Ц. цианистые соли окисляются с выделением атомарных углерода и азота, которые диффундируют в сталь. При среднетемпературном Ц. образуется цианированный слой глубиной 0,15—0,6 мм с 0,6—0,7% С и 0,8—1,2% N, при высокотемпературном (этот вид Ц. часто применяют вместо цементации)— слой глубиной 0,5—2 мм с 0,8—1,2% С и 0,2—0,3% N. После Ц. изделие подвергают закалке и низкому отпуску. Недостатки Ц.: высокая стоимость, ядовитость цианистых солей и необходимость в связи с этим принятия специальных мер по охране труда и окружающей природы. Ц. отличается от нитроцементации, при которой насыщение азотом и углеродом ведётся из газовой среды.

Лит.: Минкевич А. Н., Химико-термическая обработка металлов и сплавов, 2 изд., М., 1965; Лахтин Ю. М., Металловедение и термическая обработка металлов, 2 изд., М., 1977.

Ю. М. Лахтин.

Диффузионная  металлизация

Диффузионная  металлизация, процесс, основанный на диффузионном насыщении поверхностных  слоёв изделий  из металлов и сплавов  различными металлами (см. Диффузия). Д. м. проводят, чтобы придать поверхности металлических деталей специальные физико-химические и механические свойства. В зависимости от диффундирующего элемента различают: алитирование, диффузионное хромирование, молибденирование; марганценирование, хромоалитирование, хромотитанирование и другие виды. Диффузионное насыщение возможно из различных фаз: твёрдой, паровой, газовой и жидкой.

Насыщение из твёрдой фазы применяют  для железа, никеля, кобальта, титана и  др. металлов. В этом случае Д. м. осуществляют различными тугоплавкими металлами (Mo, W, Nb, U и  др.), упругость паров  которых меньше упругости  паров основного  металла. Процесс  протекает в герметизированном  контейнере, в котором  обрабатываемые детали засыпаются порошкообразным  металлом, в вакууме  или в нейтральной  среде при 1000—1500°C. Насыщение из паровой  фазы применяют для  сплавов на основе железа, никеля, молибдена, титана и др. металлов такими элементами, которые имеют  более высокую  упругость паров, чем насыщаемый металл, например Zn, Al, Cr, Ti и  др. Процесс происходит в герметичных  контейнерах при  разрежении ~10¹—10^-2 н/м², или 10^-1—10^-4 мм рт. ст., и 850—1600°С, контактным или неконтактным способом. В первом случае паровая фаза возникает при сублимации металла и генерируется вблизи мест контактирования порошкообразного или кускообразного металла с обрабатываемой поверхностью; во втором — генерация паровой фазы происходит на некотором расстоянии от поверхности. Насыщение из газовой фазы производят при Д. м. различных металлов элементами: Al, Cr, Mn, Mo, W, Nb, Ti и др. Диффузии металла предшествуют реакции взаимодействия газообразных химических соединений диффундирующего элемента с основным металлом. Газовой фазой служат галогениды диффундирующих металлов. Газовое насыщение осуществляется в муфельных печах или в печах специальной конструкции при 700—1000°С. Газовая фаза может генерироваться на расстоянии от насыщаемой поверхности (неконтактный способ) и в зоне контакта источника активной фазы с поверхностью металла (контактный способ). Насыщение из жидкой фазы применяют при алитировании, хромировании, цинковании, меднении. Процесс протекает в печах-ваннах, в которых расплав диффундирующего металла или его соли взаимодействуют с поверхностью обрабатываемых изделий при 800—1300°С. Этим методом осуществляют также комплексную Д. м., например хромоалитирование, хромотитанирование, хромоникелирование и т.д.

Д. м. можно  получать диффузионный слой толщиной от 10 мкм до 3 мм. Процессы Д. м. позволяют повысить жаростойкость сплавов (например, алитированная сталь имеет жаростойкость до 900°С), абразивную износостойкость (например, хромирование стали У12 увеличивает её износостойкость в 6 раз), сопротивление термоудару, быстрой смене температур, коррозионную стойкость и кислотоупорность и улучшить другие свойства металлов и сплавов.

Лит.: Дубинин Г. Н., Диффузионное хромирование сплавов, М., 1964; Минкевич А. Н., Химико-термическая обработка металлов и сплавов, 2 изд., М., 1965.

Г. Н. Дубинин.

Борирование

Борирование, насыщение поверхности  изделий из стали  и некоторых других металлов бором для  повышения твёрдости (до HV = 1400 и до Н_м = 2000), теплостойкости и износостойкости (особенно абразивной). Применяется главным образом электролизное Б. в расплавленной буре (деталь — катод, графит — анод). При температуре 930 °С, выдержке 6—8 ч получают борированный слой 0,15—0,25 мм (внешняя зона слоя состоит из борида FeB, а внутренняя из борида Fe₂B). Реже пользуются для Б. расплавленной бурой с добавкой порошкообразного карбида бора (30—40%) или карбида кремния (30%). Иногда Б. проводят в вакуумной печи или в газовой среде (H₂B₆ + H₂), после Б. производят поверхностную или изотермическую закалку. Б. применяют при изготовлении втулок буровых насосов, небольших гибочных формовочных и вытяжных штампов, матриц, пресс-форм, осей, пальцев, роликов и т.д.

А. Н. Минкевич.

Силицирование

Силицирование, поверхностное или  объёмное насыщение  материала кремнием. Производится обработкой материала в парах  кремния, образующихся при высокой температуре  над кремниевой засыпкой, или в газовой  среде, содержащей хлорсиланы, восстанавливающиеся  водородом (например, по реакции SiCI₄ + 2H₂ = Si + 4HC1). Применяется преимущественно как средство защиты тугоплавких металлов (W, Mo, Ta, Ti и др.) от окисления. Стойкость к окислению обусловливается образованием при С. плотных диффузионных "самозалечивающихся" силицидных покрытий (WSi₂, MoSi₂ и др.). Широкое применение находит силицированный графит.

Диффузия

Диффузия (от лат. diffusio — распространение, растекание), взаимное проникновение соприкасающихся  веществ друг в  друга вследствие теплового движения частиц вещества. Д. происходит в направлении  падения концентрации вещества и ведёт  к равномерному распределению  вещества по всему  занимаемому им объёму (к  выравниванию химического потенциала вещества).