Файл: Свидунович_Материаловедение_для ХТОМ.pdf

Специальными мерами (продувка ванны воздухом, охлаждение деталей в расплаве едкого натра и нитрита натрия) добиваются ликвидации образования ионов [CN-].

Для повышения стойкости быстрорежущего инструмента после закалки

ивысокого отпуска проводят карбонитрацию.

Взависимости от вида инструмента режим процесса устанавливают в

следующих пределах: температура расплава 530 — 570 ° С, время выдержки

5-30 мин.

Диффузионное насыщение деталей металлами и неметаллами. Циркуляционный метод химико-термической обработки

Для многих деталей теплоэнергетического машиностроения требуются жаростойкие покрытия. Их поверхность должна хорошо сопротивляться окислительному действию рабочей или окружающей среды. Традиционными способами получения таких покрытий являются алитирование (алюминирование), хромирование и силицирование из порошковых смесей, содержащих диффундирующий элемент, активизатор (NH4Cl, NH4J и др.) и нейтральный порошок (шамот, глинозем и др.) для предотвращения спекания смеси.

Насыщаемые детали вместе с порошком упаковывают в металлические контейнеры с плавкими затворами, нагревают в печи до 1000—1200 ° С и выдерживают несколько часов для получения диффузионных слоев заданных толщины и структуры.

Примеры некоторых порошковых смесей приведены в табл. 7.3.

NH4C1

В процессе химико-термической обработки в контейнере одновременно или последовательно протекает несколько химических реакций, которые имеют различное значение для данного диффузионного насыщения.

Наряду с основными или ведущими реакциями протекают побочные, иногда нежелательные превращения. Так, во время нагрева в алитирующей смеси протекают следующие реакции:

NH4C1 -»NH3 + НСl NH3 -» 1/2N2 + 3/2Н2 2НСl + 2/ЗА1 -» 2/ЗА1Сl3 +

Н2

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/ЗАlСl3 + 4/ЗАl -»2АlСl

2/ЗАlСl3 + 1/ЗАl -»lСl2

Процесс алитирования различных сплавов происходит либо в результате выделения на насыщаемой поверхности алюминия по реакциям диспропорционирования, либо в результате взаимодействия субхлоридов AICI2 и А1С1 с элементами насыщаемых сплавов по реакциям типа

А1Сl2 + Fe -» 2/ЗАlСl3 + l/3Fe3Al

АlСl + Ni -» 2/ЗАlСl3 + l/3Ni3Al AlCl2 + l/3Fe -» 2/3AlCl3 + l/3FeAl

В соответствии с приведенными реакциями в контейнере в ходе диффузионного насыщения алюминием восстанавливается AlCl3, который вновь вступает в обратимые реакции.

На этом принципе основан циркуляционный метод диффузионного насыщения металлов различными элементами. Так, для алитирования в хлоридной среде 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. 7.10), и процесс алитирования происходит в результате нарушения и восстановления этого равновесия как вблизи насыщаемой поверхности, так и вблизи поверхности расплавленного алюминия.

P / P Z .

1200 1600 T,

Рис. 7.10. Зависимость парциальных давлений рi хлоридов алюминия от температуры при суммарном давлении рΣ: = 9,81 • 10 4 Па:

1 - А1 С1 ; Z - А1 С1 2 ; 3 - А1 С1 з

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. 7.11, а общий вид на рис. 6 (см. цветную вклейку).

В замкнутом рабочем пространстве установки диффундирующие элементы переносятся при систематическом восстановлении газа-переносчика в результате обратимых химических реакций. В муфеле установки

жащего 50 ат. % алюминия.

Врезультате принудительной циркуляции или естественной конвекции

вмуфеле установки обогащенная дихлоридом алюминия газовая среда, вступая в контакт с насыщаемой поверхностью, стремится изменить свой состав в сторону уменьшения парциального давления AICI2, 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 условиях и при заданном температурном перепаде между зонами расположения деталей и диффундирующего элемента.

Рис. 7.12. Влияние скорости газового

потока vГ и температуры на приращение массы ∆m при али-тировании никеля в йодидной среде циркуляционным методом в

течение 3 ч при суммарном давлении 4104 Па:

1 - 1 0 0 0 ° С; 2- 1 0 5 0 ° С; 3- 1 1 0 0 ° С

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

Исследованиями установлено, что максимальная толщина диффузионного слоя получается при критической скорости газового потока, соответствующей переходу ламинарного течения в турбулентное (рис. 7.12).

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.

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 ∆G T, для температуры диффузионного насыщения. Реакция считается возможной при отрицательной ∆G T-

В табл. 7.4 представлены расчетные варианты циркуляционного метода

диффузионного насыщения, многие из которых реализованы на практике.

Многокомпонентные диффузионные покрытия циркуляционным методом можно получать либо последовательно, либо путем выравнивания активностей исходных материалов. Например, для одновременного насыщения поверхности детали алюминием и кремнием или алюминием и хромом в рабочую камеру установки следует загружать не чистый алюминий, а интерметаллиды FeAl или NiAl.

МГТУ им. Н.Э. Баумана была изобретена установка для получения покрытий из газовых сред циркуляционным методом с использованием тлеющего разряда. Экспериментальные исследования показали, что