Технология процесса алитирования

Промышленное применение нашли в основном три метода алитирования: в твердых порошкообразных смесях, в ваннах с расплавленным алюминием, а также метод поверхностной металлизация алюминием с последующим диффузионным отжигам.

Возможно также алитирование в вакууме осаждением из парогазовой фазы, электролитическое—в ваннах, состоящих из солей алюминия, а также газовое алитирование, при кото­ром через твердые смеси, содержащие алюминий, пропускают водород.

Алитирование в твердых смесях проводят в герметичных контейнерах, применяя порошок алюминия (49—50%) или ферроалюминий (50—99%) с добавками окиси алюминия (при применении FeAl добавка Аl₂Оз необязательна, так как порошок почти не подвержен спеканию) и NH₄Cl (1—2,%).

Химические реакции, протекающие в таком контейнере, подобны реакциям при хромировании:

МН₄С1=NНз+НС1;

6НС1 + 2А1 = 2А1С1з + ЗН₂;

А1С1з+2А1=3А1С1;

или

А1С1з = А1С1 + Cl₂.

Считается, что образующийся субхлорид алюминия А1С1 путем самовосстановления на поверхности стали образует атомарный алюминий

ЗА1С1= А1С1з+2А1.

Однако возможно и протекание обменной реакции типа

А1С1з + Fe (изделие) =FеС1з + А1.

Оптимальной температурой процесса считается темпера­тура 950—1050° С. Процесс достаточно длительный и в зави­симости от требуемой глубины составляет 4—30 ч.

Для уменьшения хрупкости слоя иногда после такого алитироваяия проводят диффузионный отжиг при 800—1000°, в результате которого содержание алюминия в поверхностном слое снижается до 20—30% с увеличением общей глубины слоя.

Большой производительностью отличается метод погруже­ния изделий в ванну с расплавленным алюминием.

Процесс ведут при 700—800°, слой толщиной 0,02—0,1 мм образуется уже в течение 1 — 15 мин. Однако при всей своей простоте и кратковременности этот метод обладает рядом не­достатков: 1) повышенной хрупкостью слоя, которая также должна устраняться диффузионным отжигом; 2) разъеданием и растворением изделий в расплавленном алюминии; 3) ма­лой стойкостью тиглей; 4) местным налипанием алюминия и пленки окиси алюминия на деталях; 5) неравномерностью насыщения; 6) окислением железа во время погружения.

Правда, существует целый ряд мероприятий для повыше­ния качества алитирования в ваннах. Добавление в ванну 8—12% Fe или 20—22,% Ni уменьшает интенсивность рас­творения и разъедания деталей.

Метод также усовершенствован за счет применения флю­сов, что уменьшает разъедание (прогрев производится в слое флюса), защищает расплав от окисления, улучшает смачива­ние и тем самым способствует образованию более однород­ного по глубине слоя, облегчает очистку поверхности от загрязнений при встряхивании деталей в слое флюса. В каче­стве флюсов применяются составы, содержащие NaCI, HC1, LiCI, ZnCl₂, А1Fз, NaF, Na₃AlF₆ в различных пропорциях.

При алитировании рассматриваемым способом стальных листов и проволоки перед загрузкой в ванну проводят отжиг в проходных печах с восстановительной атмосферой диссоциированного аммиака. При этом удаляются все окисные пленки, и поверхность стали эффективно смачивается рас­плавленным алюминием.

Алитирование методом металлизации проводят в не­сколько приемов. На предварительно очищенную поверхность (пескоструйная обработка, обработка металлической крош­кой для очистки и создания повышенной шероховатости с целью повышения сцепления покрытия и основного ме­талла) путам распыления наносится слой алюминия толщи­ной 0,8—1,2 мм. Процесс покрытия состоит в плавлении ме­талла и разбрызгивании его струёй сжатого воздуха под дав­лением 2—4 ат с помощью специальных металлизаторов (газовых, электрических или высокочастотных). При этом получается пористый слой с малой прочностью сцепления. Далее производится обмазка поверхности защитными соста­вами (серебристый графит, огнеупорная глина, кварцевый песок, жидкое стекло и т. д.) для защиты от окисления при последующем диффузионном отжиге. Отжиг проводится при температуре 900—1100° с предварительным подогревом и медленным охлаждением. Этот метод вполне экономичен и может конкурировать с другими методами.

§ 17. Структура алитированного слоя и влияние различных факторов на результаты процесса

Структура и фазовый состав алитированного слоя зависят от метода алитирования. Содержание алюминия в поверх­ности может достигать ~ 50,% при применении твердых сме­сей и даже 75—80% при металлизации с последующим от­жигом.

В соответствии с диаграммой Fe—А1 (см. рис. 32) при этом на поверхности образуются интерметаллиды Fе₃А1, FeAl, FeAl₂ и т. д. Эти фазы, так же как и примыкающий к сердцевине а - твердый раствор алюминия в железе, при обычном травлении выявляются в виде светлой нетравящейся зоны. При алитировании в расплавленном алюминии граница слоя имеет извилистый иглообразный характер.

Это обусловлено спецификой образующейся в поверхности фазы Fe₂Al₅ с ромбической решеткой. Скорость диффузии алюминия в этой фазе максимальна и другие фазы при этом методе не образуются.

Рис. 33. Изменение концентрации алюминия и углерода в алитированном слое стали с 0,4% С (фазовый состав дан для температуры диффузии)

Осо­бенности кристаллографи­ческой структуры этой фа­зы таковы, что наблюдает­ся преимущественная диф­фузия в направлении, пер­пендикуляр- ном поверхности, что и обусловливает игло­образный направленный характер кристаллов этой фазы.

При наличии углерода в стали часто за зоной а - фазы наблюдается зона с высоким содержанием угле­рода (рис. 33), однако это происходит не всегда. Отсутствие зоны, в сталях с содержанием более 0,7% С объясняется обра­зованием ε- фазы, характерной для системы Fe—А1—С. Кро­ме того, высокая концентрация углерода может привести к об­разованию в поверхностном слое иглообразных включений карбида А1₄Сз.

Увеличение содержание углерода снижает глубину алитированного слоя (рис. 34,а). На рис. 34,6 показано для срав­нения, насколько, интенсивнее протекает процесс алитирова­ния в расплавленном алюминии по сравнению с порошкооб­разной смесью.

Данные о влиянии легирующих элементов на результаты алитирования довольно противоречивы. Однако по аналогии с влиянием элементов на рост хромированного слоя можно заключить, что в безуглеродистых сталях снижать скорость роста будут те элементы, которые стабилизируют γ-фазу.

Дата добавления: 2015-07-08