Диффузионная металлизация является разновидность химико-термической обработки сталей, в процессе которой на поверхности изделий образуется диффузионный слой, насыщенный различными металлами. В качестве насыщающих элементов применяют хром, титан, вольфрам, никель и другие металлы.
В сочетании с углеродом, бором, азотом или кремнием образуются карбидные, боридные, нитридные или силицидные покрытия, отличающиеся уникальными физико-механическими, теплофизическими, кристаллохимическими и другими свойствами. Диффузионная металлизация обеспечивает большее изменение линейных размеров деталей, чем при химико-термической обработке традиционных видов, что обусловило ее большее применение при восстановлении изношенных деталей. Большой вклад в развитие диффузионной металлизации применительно к восстановлению деталей внесли ученые МГАУ под руководством профессора Бугаева В. Н.
На рис 1 показано изменение размеров стальных валов диаметром 9 мм в зависимости от температуры при комплексном насыщении бором и никелем из смеси состава, % мас: 80 (60B4C + 40Al2O3) + 20Ni. Приращение линейных размеров по сравнению с борированием увеличилость в 1,5…2 раза .
Изменение линейных размеров деталей представляет собой сумму двух составляющих
∆d = ∆d1 + ∆d2,
где ∆d1 – изменение размера из-за образования на поверхности детали диффузионного слоя толщиной δ;
∆d2 – изменение размера и геометрической формы изделия из-за структурных фазовых превращений в сердцевине материала (детали).
Значение ∆d2 зависит от химического состава стали, вида предварительной термической обработки, скорости нагрева и охлаждения контейнера в процессе диффузионной металлизации, вида и режимов термической обработки после насыщения, исходной формы и геометрических размеров деталей.
Если восстанавливаемые детали были подвергнуты предварительной термической обработке, а после насыщения охлаждались с малой скоростью, то значением ∆d2 пренебрегают.
Изменение линейных размеров деталей (толщина диффузионного слоя) зависит от следующих факторов: вид получаемого покрытия, режимы и способы насыщения, свойства насыщаемого металла.
Для карбидных покрытий значение ∆d находится в пределах (0,85…0,9) δ. Для них характерны небольшие толщины диффузионного слоя. Для комплексных боридных покрытий значение ∆d составляет (0,15…0,6) δ и зависит от режимов насыщения (температуры и времени).
На рис 2 показана зависимость толщины диффузионного слоя δ и линейных размеров деталей ∆d после парофазного хромирования в вакууме от времени насыщения при постоянной температуре 1200 °С.
Различают методы диффузионного насыщения из твердой (твердофазный), жидкой (жидкофазный), газовой (газофазный) и паровой (парофазный) фаз. Отличительным признаком является характеристика активной фазы (или среды), содержащей диффундирующий элемент. Наибольшее распространение при восстановлении получили газофазный и парофазный методы.
Газофазный метод заключается в насыщении поверхности материала изделия диффундирующим элементом, который входит в состав газа как химического соединения. Насыщающий элемент в атомарном виде образуется в результате химических реакций, которые протекают или в объеме реакционного пространства, или на поверхности изделия. В качестве активного газа чаще всего применяют галогениды насыщающих элементов, например при хромировании: CrCl2, CrF2, CrJ2 и др.
В зависимости от близости газовой фазы к насыщаемой поверхности различают контактный или неконтактный способ. При контактном способе газовая фаза генерируется в непосредственной близости от насыщаемой поверхности, из порошка вещества, содержащего диффундирующий элемент. Например, для хромирования сталей используют порошки хрома или малоуглеродистого феррохрома.
Рис 1. Зависимость приращения линейных размеров образцов при диффузионной металлизации от температуры за 4 ч в смеси состава, % мас: 80 (60В4С + 40А12О3) + 20Ni
Рис 2. Зависимость толщины диффузионного слоя (билинейных размеров (2) образцов от времени парофазного хромирования стали ХВГ при температуре 1200 °С (глубина вакуума 1,33 ∙ 10-1 Па)
Галлоидные газы (НО, HF, HJ, НВг и др.) получают в результате добавления в порошок аммонийной соли (NH4C1, NH4F, NH4 и др.). При неконтактном способе газовая фаза (галоге-нид хрома) генерируется на некотором расстоянии от изделия.
Парофазный метод насыщения реализуют контактным и неконтактным способами. При контактном способе частицы (порошок) насыщающего элемента находятся в контакте с изделием и при нагреве реакционного пространства упругость паров насыщающего элемента выше и глубина насыщения больше, чем при неконтактном способе. При неконтактном способе частицы насыщающего вещества находятся на некотором расстоянии от обрабатываемой поверхности, глубина насыщения меньше, однако образуется более качественное покрытие.
Большое распространение получило хромирование сталей из паровой фазы в вакууме. При этом методе предотвращается окисление детали, понижается температура испарения хрома, повышается упругости его паров в реакционном пространстве, что интенсифицирует процесс хромирования.
Контактные способы парофазного или газофазного метода диффузионного насыщения наиболее просты, не требуют специального оборудования, обеспечивают достаточно высокое качество покрытий и легко реализуемы в производственных условиях.
Основные технологические операции газового способа (например, хромирования): подготовка насыщающей смеси и изделий; упаковка изделий в контейнер; нагрев контейнера; извлечение контейнера из печи; охлаждение контейнера и его распаковка; очистка поверхности обработанных изделий. Насыщающую смесь готовят из следующих порошков: вещества, содержащего диффундирующий элемент; инертной добавки, предотвращающей спекание частиц активной составляющей с поверхностью детали и контейнера; активатора (аммонийные соли). Инертными добавками являются оксид алюминия (глинозем), речной песок и шамот.
Все компоненты смеси для удаления влаги перед смешиванием просушивают или прокаливают (глинозем). Состав смеси может быть различным, например, для хромирования углеродистых сталей применяют смесь состава, % мас.: хром Х97 – 70, глинозем (А12О3) – 27 и хлорид аммония (NH4C1) – 3.
Порядок упаковки контейнера следующий. На дно контейнера 1 (рис 3), изготовленного из обычной или жаростойкой стали, насыпают смесь 2 равномерным слоем толщиной 25…30 мм. Затем укладывают детали 3 и засыпают их смесью. Расстояние между деталями в слое, а также между деталями и стенкой контейнера должно быть не менее 15 мм. Аналогично укладывают следующий ряд деталей.
Рис 3. Схема упаковки контейнера с плавким затвором: 1 – контейнер; 2 – смесь; 3 – деталь; 4 – стальная прокладка; 5 – слой песка; 6 – плавкий затвор
Толщина последнего слоя смеси должна быть не менее 30 мм. Засыпаемую смесь слегка утрамбовывают встряхиванием. Для герметизации реакционного пространства контейнера используют плавкий затвор. Для этого на последний слой смеси укладывают прокладку 4, насыпают слой речного песка 5, а затем измельченное натросиликатное стекло слоем толщиной 5…10 мм с температурой плавления в интервале 600…800 °С и малой скоростью испарения при рабочей температуре 950…1200 °С.
При парофазном хромировании в вакууме контейнер не герметизируют. В контейнер засыпают не смесь, а гранулированный хром с размером частиц 0,3…0,5 мм.
Для нагрева контейнеров с плавким затвором применяют нагревательные печи сопротивления с окислительной атмосферой, обеспечивающие рабочую температуру в интервале 950…1200 °С, например печи СНО-4.8.5/13-И1. Контейнеры без плавкого затвора при парофазном методе насыщения нагревают в вакуумных печах СШВ-0.6.2/16-И2, СНВЭ-1.3.1/16-ИЗ в зависимости от размера обрабатываемых изделий.
Остальные технологические операции диффузионной металлизации по своему содержанию аналогичны процессу цементации сталей.
Диффузионной металлизации подвергают детали из сплавов на основе меди (бронзы, латуни). Широкое распространение нашел способ насыщения поверхности изделий цинком. В этом случае детали укладывают в контейнер и засыпают порошком следующего состава (в массовых частях) порошок цинка – 100, глина огнеупорная (или оксид алюминия Al2O3) – 28 и хлорид аммония NH4C1 – 7. Цинковый порошок просеивают сквозь сито с 650 отверстиями на 1 см2. Перед употреблением инертные добавки просушивают. Детали (например, втулки верхней головки шатуна) упаковывают в контейнер, куда засыпают приготовленную насыщающую смесь. Контейнер плотно закрывают крышкой. Его герметизация достигается за счет специальных кронштейнов, винтов и прокладки из асбеста. Плавкий затвор не применяют, поскольку используемое для этого стекло плавится при температуре 700…800 °С, а процесс же цинкования происходит при температуре 650…700 °С. При рабочей температуре контейнер выдерживают 1,5…2,5 ч. Охлаждают контейнер в печи. Изменение размеров втулок из бронзы БрОЦ5-С5 составляет 0,5…1 мм. После насыщения втулки протачивают.
Для повышения твердости покрытия и износостойкости, а также увеличения приращения размеров в насыщающую смесь добавляют легирующие вещества (феррохром, ферротитан, композитные порошки на основе железа или никеля и др.).