Алитирование это насыщение поверхностного слоя металла

Алитирование это насыщение поверхностного слоя металла


Алитирование – насыщение поверхности металлических изделий алюминием. Алитированный слой хорошо защищает от окисления изделия, эксплуатируемые при повышенных температурах (до 1100 С). Это объясняется образованием плотной пленки оксида Al2О3, предохраняющей металл от окисления. Алитирование увеличивает коррозионную стойкость изделий в азотсодержащих средах, защищает от науглероживания при нагреве в восстановительных углеродсодержащих средах. Механические свойства алитированного слоя невысоки.

Чаще всего алитированию подвергают изделия из низкоуглеродистой стали, реже – из среднеуглеродистой стали, чугуна, жаропрочной стали, жаропрочных сплавов на никелевой или кобальтовой основе.

Распространены следующие способы алитирования :

  • В порошкообразных смесях , содержащих алюминий или ферроалюминий. Алитирование очищенных изделий из сталей и жаропрочных сплавов на кобальтовой и никелевой основе осуществляют в жаропрочных муфелях при 700-1100 С. Продолжительность обработки составляет от 2 до 16 ч. При этом получают толщину алитированного слоя до 1,5 мм. Способ сравнительно прост, обеспечивает получение однородного по структуре и равномерного по толщине слоя. Недостаток – сложность нанесения покрытия на отдельных местах изделия;
  • Шликерное алитирование , заключающееся в нанесении на очищенную поверхность изделия алюминиевой краски (шликера), последующей просушке изделия при 100-200 С и высокотемпературном отжиге при температуре 800-1100 С на воздухе, в аргоне или вакууме. Способ не сложен, дает возможность наносить покрытие на отдельных местах изделия и изделиях сложной конфигурации (например, на лопатках турбин). Главный недостаток – трудность получения слоя равномерной толщины и, следовательно, недостаточная воспроизводимость свойств при одних и тех же условиях процесса;
  • Жидкостное алитирование , которое проводят в расплавленном алюминии или его сплавах при 670-850 С и выдержке 2-15 мин. Используется главным образом для алитирования изделий из стали и никелевых сплавов. Преимущество – простота и экономичность. Недостатки: трудоемкость подготовки поверхности и получения равномерного по толщине слоя;
  • Вакуумное алитирование , осуществляемое при 10-2-10-5 мм. рт. ст., 950-1200 С и выдержке 2-8 ч. Способ основан на испарении алюминия и его осаждении на изделиях.

    Алитированный слой стали представляет собой твердый раствор алюминия в ?α-железе. При алитировании изделий из никеля образуются интерметаллические соединения NiAl, Ni3Al, твердый раствор алюминия в никеле.

    Алитирование используют при обработке лопаток, сопловых аппаратов турбин, автомобильных клапанов, как технологическую защиту проката и т.п.

    Алитирование

    Чаще всего алитирование проводят для деталей, изготовленных из стали, никелевых сплавов и чугуна. Глубина насыщения составляет 0,02…1,2 мм. Алитирование проводится главным образом для повышения жаростойкости, уменьшения схватываемости поверхностей, повышения износостойкости, защиты от коррозии в средах, содержащих серу, азот и углерод. Алитированный слой стальной детали представляет собой ?-твердый раствор алюминия в железе. Кроме этого на поверхности стальной детали возможно образование одной или нескольких интерметаллидных фаз состава: FeAl2, FeAl, Fe3Al, Fe2Al5. (происходит от немецкого слова alitieren – алюминирование). + – Сущность процесса алитирования Щелкните, чтобы свернуть

    Чаще всего алитирование проводят в порошкообразных смесях, состоящих из 25-50 % порошка алюминия или 50-75 % ферроалюминия, с добавлением окиси алюминия (25-75 %) и хлористого аммония (NH4Cl) в количестве около 1 %. Во время нагрева стали в алитирующей среде протекают следующие реакции: NH4Cl > NH3 + HCl ,
    NH3 > 1/2N2 + 3/2H2 ,
    2HCl + 2/3Al > 2/3AlCl3 + H2 .

    Пары хлорида алюминия, как более тяжелые, взаимодействуют с алюминием по реакциям диспропорционирования: 2/3AlCl3 + 4/3Al > 2AlCl ,
    2/3AlCl3 + 1/3Al > AlCl2 ,
    AlCl2 + Fe > 2/3AlCl3 + 1/3Fe3Al .

    Таким образом, в результате алитирования с помощью алюминия в насыщающей среде происходит восстановление хлоридов алюминия до AlCl3, который вновь вступает в обратимые реакции.

    1. Повышение жаростойкости.
    2. Повышение коррозионной стойкости при работе в растворах солей и азотной кислоты.
    3. Повышение эрозионной стойкости.

    В настоящее время алитирование проводят как в твёрдой, так и в жидкой средах. Кроме того, в заводской практике постепенно начинает расширяться способ металлизации.

    1. Алитирование в порошках. Чаще всего здесь используют порошкообразные смеси следующих составов:
      1. 49,5 % алюминия + 49,5 % Al2O3 + 1 % NH4Cl;
      2. 99 % ферроалюминия + 1 % NH4Cl;
      3. 48 % ферроалюминия + 48 % кварцевого песка + 4 % NH4Cl.

      Во всех составах температуру алитирования поддерживают на уровне 950…1050 °С, а время выдержки для указанных температур назначают в пределах от 6 до 12 ч. При таких режимах глубина алитированного слоя может составлять 0,25…0,6 мм.

      Сам процесс алитирования проводят следующим образом. Детали и порошки послойно загружают в железные или нихромовые ящики. В процессе насыщения в них многократно добавляют 10-15 % свежей порошкообразной смеси. Если в состав смеси входит окись алюминия, то ее предварительно перед загрузкой в ящик прокаливают при температуре 800-900 °С. Все компоненты порошкообразных смесей просеивают через сито с размером ячейки 0,4-0,5 мм. Ящик, в котором проводят алитирование, обязательно должен быть снабжен плавким затвором. Вместе с деталями в ящик кладут по два-три контрольных образца, называемых свидетелями. С помощью таких свидетелей можно следить за ходом насыщения.

      На рисунке 1 показана зависимость глубины алитированного слоя у стали 10 от продолжительности насыщения при различных температурах.

      Алитирование в расплавленном алюминии. Сущность этого способа заключается в выдержке деталей в ванне с расплавленным алюминием при температурах 720 -850 °С. Поскольку в жидком алюминии некоторые детали могут растворяться, то для предотвращения такого процесса в ванну вводят 8-12 % железа. В составе ванны нежелательно иметь примеси меди, цинка и кремния, т.к. они затрудняют процесс насыщения.

      Время выдержки может меняться в зависимости от вида деталей и их назначения от 15мин. до 1ч. При таких режимах можно получать алитированные слои глубиной 0,1…0,3 мм. Следует заметить, что при таком способе иногда может отмечаться повышение хрупкости, получаемого слоя. Поэтому, в целях устранения такого дефекта, детали после алитирования подвергают отжигу при температуре 950-1050 °С в течение 4-5 часов. При такой термообработке глубина слоя может увеличиться на 20-40 %.

      В процессе алитирования на поверхности расплава рекомендуют создавать слой флюса, состоящего, например, из 40 % NaCl; 40 % KCl; 10 % Na3AlF6; 10 % AlF3. Такой флюс играет роль защиты и уменьшает процесс разъедания поверхности детали. На рисунке 2 показана зависимость глубины слоя у стали 10 от продолжительности алитирования в расплаве алюминия при различных температурах.

      Алитированный слой представляет собой твердый раствор алюминия на базе химического соединения Fe3Al. Такую фазу чаще называют ?-фазой. Концентрация алюминия в этой фазе может доходить до 30 % и более.

      В настоящее время постепенно развивается и расширяется алитирование способом металлизации. Сущность этого способа заключается в напылении на поверхность детали слоя алюминия с последующим диффузионным отжигом при температуре 900-1000 °С. Перед отжигом деталь покрывают обмазкой, состоящей из 48 % серебристого графита, 30 % кварцевого песка, 20 % глины и 2 % хлористого аммония. Все компоненты замешиваются на жидком стекле и наносится на деталь толщиной 0,8-1,5 мм.

      Температура, при которой происходит насыщение, составляет 900-950 °С. Сам процесс может длиться 2-4 часа. При таких режимах можно получать слой толщиной 0,2-0,4 мм. Наибольшее применение алитирование получило при производстве клапанов двигателей внутреннего сгорания, чехлов термопар и т.п. В принципе, алитирование можно назначать для любых деталей, работающих при высокой температуре, и которым, прежде всего, предъяляют требования высокой окалиностойкости.

      Алитирование стали

      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:

      1. Высокая окалиностойкость. Это свойство связано с процессом образования защитной пленки на поверхности изделия при его нагреве.
      2. Высокая защита от окислительных процессов.
      3. Высокие антикоррозионные свойства. В результате алитирования изделие может использоваться даже при условии воздействия морской воды.
      4. 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.

      Алитирование стали 20

      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:

      1. 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.
      2. 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.
      3. 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.
      4. 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.
      5. 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.

      Микроструктура вставки, алитированной по оптимальному режиму

      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.

      Долговечность изделия в зависимости от толщины алитированного слоя

      Материалы, допускаемые к алитированию

      Металлизация – технология, которая предназначенная для изменения свойств поверхностного слоя. Разновидностью данной технологии является и алитирование. Насыщению поверхностного слоя подвергают:

      1. Углеродистые стали. При этом преимущественно используются низкоуглеродистые стали, реже среднеуглеродистые. При высоком содержании углерода в составе процедура становится малоэффективной.
      2. Легированные стали применяются реже, но при правильном проведении технологии можно получить износостойкие детали.
      3. 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.

      Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

      Процесс алитирования стали

      Алитирование – это разновидность диффузионной металлизации, которая характеризуется насыщением поверхностного слоя алюминием. Защитное покрытие создает на обрабатываемых изделиях оксидную пленку, повышающую устойчивость к высокотемпературному воздействию и предупреждающую коррозионные процессы. Несмотря на то что данный способ обработки подходит для большинства металлов и сплавов, наиболее популярным является алюминирование стали. Второе место занимает чугун.

      Алитирование отличается высокой технологической сложностью – его практически невозможно реализовать в домашних условиях. Рассмотрим особенности и нюансы технологии.

      Способы алитирования

      Алитирование стали выполняют при температуре от 700 до 1100 °C в зависимости от характеристик заготовки. Известно несколько методов алюминирования поверхности:

      • в порошкообразных смесях (калоризация);
      • напылением;
      • металлизация;
      • в вакууме;
      • погружением.

      Каждый способ имеет преимущества и недостатки. Технические характеристики слоя также будут иметь разные параметры.

      Алитирование стали методом погружения является наиболее предпочтительным.

      Описание процесса алитирования

      Поверхностное насыщение стали сопровождается образованием интерметаллических соединений, толщина которых увеличивается активизацией процесса диффузии алюминия в металле. Особенности технологической обработки зависят от выбранного метода.

      1. Технология использования порошкообразных смесей напоминает процесс цементации стали. Для выполнения работ требуется металлический ящик, который заполняют карбюризатором. Сверху устанавливают деталь для обработки. Максимальная температура составляет 1050 °C. В среднем цикл длится от 8 до 12 часов. При этом глубина диффузии не превышает 0,5 мм. Рабочая смесь представлена порошками на основе алюминия с добавлением каталитических присадок. С помощью данного метода можно обработать детали любой формы. Дополнительным преимуществом является многократное использование карбюризатора, при этом себестоимость выполнения работ самая высокая.
      2. Напыление – очень быстрый способ алитирования стали. Алюминий проникает вглубь изделий на 0,3 мм за один час. Характеризуется низкой температурой выполнения работ: она не превышает 750 °C. На этом достоинства заканчиваются. Из недостатков выделяют высокую пористость и неравномерность защитного слоя, а также повышенные требования к предварительной подготовке поверхности.
      3. Металлизацию и последующий обжиг проводят при температуре 950 °C. Рабочий цикл длится 2–4 часа. Единственный минус – малая глубина проникновения (до 0,4 мм). Себестоимость обработки по сравнению с напылением выше на 20–25%. Несмотря на это, защитный слой отличается высоким качеством и стойкостью к механическим повреждениям, что с избытком компенсирует все неудобства.
      4. Алитирование стали в вакууме выполняют путем испарения алюминия. Частицы металла оседают на заготовке, за счет чего толщина слоя самая низкая из всех способов, однако благодаря вакуумной среде, которая исключает воздействие сторонних факторов, качество результата считается самым лучшим. Кроме того, процесс характеризуется самой высокой рабочей температурой – до 1400 °C. Для обработки применяют специальные печи с системой создания безвоздушной среды. Недостатком считается длительный процесс подготовки изделий. Технология требует тщательной очистки поверхности, поскольку ржавчина снижает адгезию алюминия. Кроме того, перед помещением в камеру детали нагревают до нужной температуры, которая колеблется в диапазоне от 175 до 370 °C в зависимости от свойств металла.
      5. Погружение – передовой способ алитирования стали. Он полностью соответствует современным требованиям, которые заключаются в сокращении времени обработки поверхностей. Полный рабочий цикл составляет ровно 15 минут. Относительно низкая рабочая температура, которая варьируется в диапазоне от 600 до 800 °C, является дополнительным преимуществом. По этим причинам метод пользуется особенной популярностью у производственных предприятий. Суть способа заключается в погружении заготовки в расплавленный алюминий. Поверхностный слой металла нагревается, улучшая проникающие свойства алюминия. В результате получается интерметаллический слой толщиной до 0,1 мм.

      Особняком стоит метод электролитического покрытия, или гальванизации стали. Процесс протекает в безводных или неорганических электролитах, содержащих алюминиевые соединения. Он не пользуется популярностью ввиду сложностей регулировки процесса, низкой скорости и высокой себестоимости.

      Алитируемые металлы и сплавы

      Алитирование – это не только способ защиты поверхности. Оксидная пленка является прекрасной основой под лакокрасочные покрытия. Основными металлами, которые подвергают алитированию, являются:

      1. Углеродистая сталь. При высоком содержании углерода в металле диффузия алюминия затруднена, поэтому обрабатывают преимущественно низко- и среднеуглеродистые стали.
      2. Легированная сталь. Обработка данного металла сопряжена с определенными трудностями, однако при соблюдении всех технологических требований можно получить износостойкий защитный слой.
      3. Чугун. Обработку чугуна выполняют реже. Целью является изменение физических свойств поверхностного слоя чугуна.

      Процесс изготовления нержавеющей стали заключается в алитировании легированных или углеродистых составов.

      Помимо вышеперечисленных металлов защитный слой наносят на следующие материалы:

      Свойства и преимущества алитированных сталей

      Алитированная сталь обладает рядом ценных качеств:

      1. После хроматирования получается поверхность с высокой адгезией к лакокрасочным изделиям.
      2. Низкая себестоимость покрытия позволяет использовать алитирование в качестве достойной альтернативы дорогостоящим жаростойким покрытиям.
      3. Алюминизированная сталь обладает устойчивостью к механическим повреждениям.
      4. При температуре свыше 470 °C образуется промежуточный сплав, который имеет высокую устойчивость к температурным воздействиям.

      Лабораторные испытания показали, что при равной толщине слой алюминия в 2,5 раза крепче, чем цинковый.

      Алитирование – это высокотехнологичный процесс, который придает поверхности обрабатываемого металла новые защитные свойства. А что вы думаете о технологии? Возможно, считаете, что есть более качественные методы металлизации? Поделитесь вашими мыслями в блоке комментариев.

      Читать еще:  Можно ли торцовочной пилой резать металл
      Ссылка на основную публикацию
      Adblock
      detector