Література. 2. Химико-термическая обработка металлов и сплавов: Спра­вочник // Г.В.Борисенок

1. Н.С.Горбунов. Диффузионные покрытия на железе и стали. - М.: Металлургия, 1958. – 208с.

2. Химико-термическая обработка металлов и сплавов: Спра­вочник // Г.В.Борисенок, Л.А. Васильев, Л.Г.Ворошнин и др.// Под ред. Л.С.Ляховича. – М.: Металлургия,1981.-424 с.

3. Ю.С.Борисов, Ю.А.Харламов, С.Л.Сидоренко, Е.Н.Ар­датовска. Газотермические покрытия из порошкообразных материалов. — К.: Наук. думка, 1987. — 544с.

4. М.С.Поляк. Технология упрочнения. — М.: Машиностроение, 1995. 2т.: 1т. — 828с.; 2т. — 626с.

5. Хансен М, Андерко К. Структуры двойных сплавов. Спра­вочник. Пер. с англ. П.К.Новика и др. Под ред. И.И.Новикова и И.Л.Рогельберга. Т. 1 - 2. М.: Металлургиздат, 1962.

1.9. Алітування

Сучасне виробництво ставить особливі вимоги до підвищення ресурсу та надійності роботи машин і механізмів. Пошкодження деталей машин, які зумовлені, зокрема, зношуванням деталей, обмежують тривалість нормальної експлуатації агрегатів, викликають їх простоювання та потребують додаткових затрат на виготовлення запасних частин і ремонт машин.

Одним з методів збільшення довговічності деталей машин є створення на їхній поверхні покриттів, які мають високий рівень фізико-механічних властивостей та експлуатаційних характеристик [1‑7].

1.9.1. Діаграма стану Fe-Al

Компонентами даної системи є залізо і алюміній.

Залізо з температурою плавлення 1538 °С має три модифікації - a, g, d. Модифікація Fe_a та Fe_d існують при температурах до 912 °С і від 1394 до 1538 °С відповідно. Fe_a та Fe_d має ОЦК гратку. Період гратки Fe_a становить 0.286 нм (при температурах 20-25 °С). Важливою особливістю Fe_a є його феромагнетизм нижче температури 786 °С, яка називається точкою Кюрі. Модифікація Fe_g існує в інтервалі температур від 912 до 1394 °С і має ГЦК гратку, період якої при 912 °С рівний 0.364 нм. ГЦК гратка більш компактна, ніж ОЦК. В зв'язку з цим при переході Fe_a в Fe_g об'єм заліза зменшується приблизно на один відсоток. Fe_g - парамагнітне.

Алюміній не має поліморфного перетворення, температура плав­лення становить 660.4 °С, має ГЦК гратку з періодом 0.404 нм.

По діаграмі стану Fe – Al проаналізуємо фази в сплавах заліза з алюмінієм [4].

g - фаза має ГЦК гратку. Петля g - області простягається при­близно до 2.4 ат. % Al, або до ~ 2.0 ат. % Al (див. на допоміжній діаграмі рис.1.47). максимальна розчинність алюмінію при температурі 1150 °С в g - області становить ~ 1.2 ат. %, а в (g + a) – області ~ 2.0 ат. % Al.

a – фаза має ОЦК гратку. Розчинність алюмінію в Fe_a зменшується із зниженням температури.

У сплавах, які містять від 25 до 34 ат. % Al після повільного охолодження утворюється фаза Fe₃Al, яка поступово змінюється в FeAl. Вище 34 ат. % Al існує FeAl.

В інтервалі 54 – 77 ат. % Al є дві фази: Fe₂Al₅ (h - фаза) і FeAl₃ (q - фаза). e - фаза має ОЦК кристалічну гратку. Ця фаза утворюється при 1232 °С по перитектичній реакції, а розпадається при ~ 1100 °С по евтектоїдній. Фаза x утворюється по перитектичній реакції e + h à x при 1158 °С, тобто всього на 7 °С нижче евтектики (e + h). Ця фаза містить більше 65 ат. % Al і відповідає складу FeAl₂, а також володіє ромбоедричною кристалічною граткою.

q - фаза (FeAl₃) нижче 600 °С розпадається з утворенням Fe₂Al₅ і Fe₂Al₇ (77.78 ат. % Al). Остання фаза має ромбічну гратку. Границі існування h - фази Fe₂Al₅ лежать в інтервалі 70 – 72.5 ат. % Al. Для h - фази з вмістом 72 ± 5 ат. % Al властива ромбічна гратка.

1.9.2. Методи алітування

Алітування – процес дифузійного насичення поверхні металів і сплавів алюмінієм з метою підвищення жаростійкості, корозійної і ерозійної стійкості. В наш час алітуванню піддають вуглецеві і леговані сплави, чавуни, жаростійкі і жароміцні сталі і сплави, тугоплавкі метали і сплави на їх основі, титан, мідь і інші матеріали.

Розроблено багато методів алітування, але промислове застосування знайшли в основному три: алітування в порошкових сумішах, у ваннах з розплавленим алюмінієм або його сплавами і металізація поверхні металів та сплавів алюмінієм з наступним дифузійним відпалом. Решта методів знаходиться в стадії промислових або лабораторних розробок.

Рис.1.47. Діаграма стану Fe – Al

1.9.2.1. Алітування в порошкових сумішах

Основними компонентами порошкових сумішей для алітування є:

а) порошок алюмінію, порошок фероалюмінієвого або фероалюмінієвомідного сплаву (джерело алюмінію);

б) порошок хлористого амонію або інших речовин (активатор процесу);

в) порошок оксиду алюмінію або каоліна (інертні домішки, які запобігають спіканню часточок порошку алюмінію або феросплавів).

Склад деяких порошкових сумішей для алітування наведено в табл.1.38.

Таблиця 1.38.

Склад порошкових сумішей для алітування, мас. %

№ п/п	Al	Al2O3**	NH4Cl	FeAl	CaAl2	AlFe3
	49-49.5	49-49.5	1-2	-	-	-
2*	-	-	0.5	99.5	-	-
3*	-		0.5	79.5	-	-
	-	39-39.5	0.5-1.0		-	-
	-		-	-		5***
	-		2***	-		-
	15-20	79-84		-	-	-

* Може бути використаний фероалюмінієвомідний сплав

** Може бути використаний каолін (біла глина)

*** Від маси суміші

Всі компоненти суміші ретельно перемішують. Фероалюміній, звичайно, містить 35-60 % Fe; фероалюмінієвомідний сплав складається з 37-47 % Fe, 2-4 % Cu, решта – алюміній з невеликими домішками марганцю, кремнію і ін. Всі компоненти порошкових сумішей просіюють через сито.

Алітування в порошкових сумішах проводять в спеціальних кон­тейнерах з плавкими затворами. Контейнери виготовляють з 3 – 6 мм листової жаростійкої сталі, а також із вуглецевих сталей, але в цьому випадку їх потрібно попередньо піддати алітуванню.

У процесі алітування відбувається деяке зменшення активності суміші, що призводить до зниження товщини шару. Багатократне використання суміші – одна із умов успішного впровадження методу у виробництво. При використанні суміші, яка складається з 99.5 % сплаву Fe – Al – Cu і 0.5 % NH₄Cl, для стабілізації її активності необхідно у відпрацьовану додавати 10 % свіжої. При низькій температурі (860 °С) суміш (99 % FeAl + 1 % NH₄Cl) можна використовувати багатократно без відновлення, добавляючи після кожного режиму 0.5-1.0 % NH₄Cl.

Упаковані контейнери завантажують в піч і нагрівають по заданому режиму. Після завершення витримки контейнери з деталями охолоджують разом з пічкою або на повітрі. Для зниження крихкості алітованого шару і підвищення його товщини алітовані вироби іноді піддають дифузійному відпалу при 900-1050 °С протягом 4-5 год. Тов­щина шару при цьому збільшується на 20-40 % (в залежності від режиму відпалу).

Ультразвукові коливання пришвидшують процес алітування в порошкових сумішах.

Перемішування суміші в 1.5 рази пришвидшує процес алітування.

Вплив складу порошкової суміші, температури і часу насичення, а також режиму наступного дифузійного відпалу на товщину і властивості алітованого шару вивчено дуже ретельно.

В табл. 1.39 показано вплив температури, тривалості алітування в суміші 99.5 % сплаву Fe – Al – Cu + 0.5 % NH₄Cl на товщину шару на сталі 10.

Таблиця 1.39.

Вплив температури і тривалості алітування на товщину шару на сталі 10

Т, °С
t, год
h, мм	0.14	0.08	0.13	0.19	0.23	0.26	0.32
Т, ^0С
t, год
h, мм	0.20	0.29	0.39	0.48	0.51	0.42	0.53

Результати алітування сталі 10 при різних температурах і витримках у суміші з 99.5 % Al + 0.5 % NH₄Cl показані на рис.1.48.

Рис.1.48. Залежність товщини шару h на сталі 10 від тривалості алітування та температури в суміші із 99.5 % Al + 0.5 % NH₄Cl при: 1 – 900 °С; 2 – 250 °С; 3 – 1000 °С; 4 - t = 6 год

Вплив складу суміші, яка приготовлена з кальційалюмінієвої лігатури (CaAl₂) і оксиду алюмінію, на результати алітування наведено в табл.1.40.

Насичували сталі марок 45, У8, Э12. В якості оптимальної рекомендують суміш № 6 (табл.1.38).

У роботі [3] дослідили алітування армко-заліза в пастах з використанням електронагріву. Насичення проводили в пасті: 88 % FeAl + 10 % маршаліта + 2 % NH₄Cl.

В якості зв’язуючого використовували гідролізований етилсилікат. Для запобігання пасти від окиснення використовували захисну обмазку, яка являє собою суміш склопорошків з різною температурою плавлення (490-1100 °С). Зв’язуючим для захисної обмазки використовується сульфітно – спиртова суспензія. Зразки нагрівали контактним способом з швидкостями 10 і 50 °С/с.

Електронагрів сприяє значній інтенсифікації процесу насичення армко – заліза алюмінієм в порівнянні з пічним нагрівом (насичення в цій же пасті). Так, при електронагріві зы швидкістю 10 і 50 °С/с до 1150-1170 °С і витримці протягом 1 хв утворюються шари товщиною більше 120 мкм. При цьому зменшується крихкість алітованого шару. Електронагрів дозволяє розширити області застосування алітованих виробів.

1.9.2.2. Алітування у ваннах з розплавленим алюмінієм

Суть процесу полягає в витримці виробів у ванні з розплавленим алюмінієм або його сплавами при 700-850 °С. Час витримки в залежності від виду виробів можна змінювати від декількох секунд до десятків хвилин.

Таблиця 1.40.

Вплив складу суміші на товщину шару на сталях після алітування

при 1000 °С, 4 год

№ суміші	Склад суміші, мас.%	h, мкм на сталі
Al2O3	CaAl2	NH4Cl	Э12		У8
				Сліди
				Налипання суміші, шар нерівномірний
	70 CaO
	70 MgO

Володіючи перевагою короткочасності насичення і порівняно низькою температурою, цей метод характеризується і рядом недоліків: низькою стійкістю стальних тиглів, налипанням розплаву і окисної плівки на поверхню деталей, що обробляються, утворенням крихких інтерметалідних фаз. Для зменшення крихкості шару в ряді випадків вироби після алітування піддають дифузійному відпалу.

Рідкий алюміній відрізняється високою реакційною здатністю і руйнує не лише більшість металів, але і ряд неметалевих матеріалів. Тому матеріал для ванн повинен мати високу стійкість в розплавленому алюмінії, термостійкість і інші властивості.

Задовільну стійкість у розплавленому алюмінію має сірий чавун СЧ15, графіт і карбід кремнію.

Для насичення використовують розплав із алюмінію, який містить 8-12 % Fe. Його рекомендують для попередження сильного роз'їдання виробів при алітуванні розплавленим Al.

При алітуванні в сумішах із вмістом до 4.6 % Fe товщина шару зростає, а якість його знижується внаслідок пористості і великої нерів­номірності. Кінетика росту алітованого шару на сталі Cт3 у ванні з 98 % Al + 2 % Fe наведена на рис.1.49.

При вмісті в ванні понад 5 % Fe утворюються тьмяні плями по товщині покриття і збільшується пористість. Тому максимально до­пус­тимий вміст заліза в розплаві 3-4 %. При більшій концентрації заліза розплав алюмінію необхідно замінити новим або осаджувати залізо шляхом зниження температури розплаву до 670-680 °С. В цьому випадку залізо у вигляді сполуки FeAl₃ випадає на дно, звідки його видаляють.

Небажані домішки в ванні – мідь і цинк.

Наявність кремнію в розплаві алюмінію погіршує його рідкотекучість. Для усунення негативного впливу кремнію запропоновано добавляти в ванну 0.1-0.4 % хрому, молібдену, вольфраму. Проте покриття, одержані в ваннах з кремнієм, володіють підвищеною жаро- і корозійною стійкістю.

Рис.1.49. Залежність товщини шару h на сталі Ст 3 від часу витримки в ванні з 98 % Al + 2 % Fe при температурі алітування, °С: 1 – 700; 2 – 720; 3 – 750; 4 – 800

Для одержання якісного покриття необхідний надійний захист розплавленого алюмінію і виробу, що покривається від окиснення.

Зеркало ванни розплавленого алюмінію захищають, головним чином, розплавленими флюсами, які складаються в основному з хлоридів лужних і рідкоземельних металів з невеликими добавками фторидів цих металів. Склад деяких флюсів наведено в табл.1.41.

Флюси повинні задовільняти наступні вимоги: розчиняти і ад­сорбувати оксиди, дегазувати розплав, володіти мінімальною гігроскопічністю, не вступати в хімічну реакцію з розплавами і футеровкою, мати температуру плавлення нижчу, ніж у алюмінію, а при температурі алітування і меншу густину. Для захисту поверхні розплавленого алюмінію використовують також захисні атмосфери.

Ефективна технологія алітування стальної стрічки з попередньої підготовкою поверхні сталі використанням відновлюючої атмосфери описана в роботі [7]. При нанесенні на сталь алюмінію методом занурення в розплав утворюється двошарове покриття: шар залізо – алюмінієвих сполук, які прилягають до стальної основи, і зверху шар алюмінію. Так, як алітована листова сталь у подальшому може піддаватися деформації, то можливе відшарування покриття по крихкому шару інтерметалідів. Тому технологічний процес нанесення покриття повинен забезпечувати утворення цього проміжного шару мінімальної товщини. При нанесенні покриттів з розплаву алюмінію без кремнію для одержання мінімальної товщини шару інтерметалідів необхідно охолоджувати стрічку до 300 °С зі швидкістю не меншою 16 °С/с.

Таблиця 1.41.

Склад флюсів для захисту ванни з розплавленим алюмінієм

від окиснення, мас. %

Номер	NaCl	KCl	Na3AlF6	ZnCl2	AlF3	LiCl	NaF	Решта
				–		–	–	–
				–		–	–	–
					–	–	–	–
			–	–	–	–	–	–
					–	–	–	–
				–	–	–	–	–
			–	–	–	–	–	–
	–		–		–			–
	35-45	–	–	–	–	5-10	25-35	33-37 Na2B4O7, 2-3 SiO2

1.9.2.3. Алітування методом металізіції поверхні з наступним дифузійним відпалом

У процесі алітування цим методом проводять наступні операції:

1. Підготовка поверхні виробу перед алітуванням. Її здійснюють шляхом дробо- або піскоструменевої обробки. При цьому, крім видалення забруднень, забезпечується необхідна шорсткість поверхні виробів, що сприяє кращому зчепленню шару, який наноситься, з основним металом. Цьому ж сприяє попередній підігрів поверхні до 250-350 °С.

2. Нанесення шару алюмінію. Покриття деталей алюмінієм проводиться з допомогою металізаційних агрегатів (електродугових ЭМ – 3А, ЭМ – 6, ЭМ – 9, АЭМ – 1 або газових ГИМ – 2, МГИ – 1 – 57), а також плазмовими металізаційними пальниками. Режим напилення встановлюють для кожної деталі окремо. Товщина шару алюмінію повинна бути 0.7-1.2 мм. Електрометалізаційні апарати, в порівнянні з газовими, забезпечують кращу якість дифузійного шару і вищу жаростійкість.

3. Нанесення шару захисної обмазки. Напилений шар алюмінію при наступному дифузійному відпалі розплавляється і стікає. Тому глибина шару непостійна. Крім цього, напилений шар алюмінію по­ристий і при відпалі в повітряній атмосфері інтенсивно окислюється. Щоб запобігти цим явищам застосовують захисні обмазки. Найкращі результати забезпечують обмазки двох складів, мас. %

	Графіт	Вогнестійка глина	Кварцовий пісок	NH4Cl
I				–
II

Рис.1.50. Залежність товщини шару h на сталі 20 від температури і тривалості дифузійного відпалу після алітування (товщина напиленого шару алюмінію 1.0-1.2 мм): 1 – 920 °С; 2 – 1000 °С; 3 – 1100 °С; 4 – 1200 °С

Обмазки змішують на рідкому склі до сметаноподібного стану. Нанесення попередньо нагрітої до 100 °С обмазки на деталі проводять зануренням. Після цього деталі просушують при 80 – 100 °С протягом 1.0-3.5 год. Товщина шару обмазки становить 0.8-1.5 мм.

4. Дифузійний відпал. Його проводять при 920-950 °С протягом 4-6 год. Вплив температури і тривалості відпалу на товщину алітованого шару на сталі 20 наведено на рис. 1.50. Очистку виробів від обмазки після відпалу проводять вручну стальними щітками або на спеціальних верстатах.

Встановлено, що оптимальним є відпал при 950 °С, протягом 6 год. При такому режимі забезпечується достатня пластичність шару, що дуже важливо в умовах роботи газових турбін. При більш високих температурах відпалу спостерігається збіднення поверхні алюмінієм внаслідок розсмоктування шару і дифузії алюмінію в глибину виробу. Більш низькі температури відпалу сприяють утворенню шарів високої твердості і підвищеної крихкості.

1.9.2.4. Алітування в аерозолях

В якості насичуючого середовища використовують суміш порошку алюмінію, хлористого натрію і хлористого амонію в співвідношенні (по масі) 4: 2: 1 (8: 2: 1). При заміні хлористого амонію йодистим трохи збільшується товщина шару і концентрація в ньому алюмінію.

Вплив температури алітування протягом 2 год і часу алітування при 950 °С в даній суміші на товщину шару на армко-залізі показано на рис.1.51.

Вже при 800 °С одержують рівномірні дифузійні шари, які забезпечують захист металу від окислення. Якість покриття погіршується при температурах насичення 1050 °С і вище із-за підвищеного вмісту алюмінію в шарі.

Рис.1.51. Залежність товщини шару h на армко-залізі від тривалості алітування при 950 °С і температури алітування протягом 2 год в суміші Al: NH₄Cl: NaCl = 4: 2: 1 (розхід суміші 60 г/год)

1.9.2.5. Газове алітування

У роботі [6] приведені результати досліджень процесу алітування заліза при використанні парів монохлориду алюмінію. Пари одержували при взаємодії AlCl₃ з розплавленим алюмінієм в середовищі очищеного водню при 1200-1250 °С і парціальному тиску AlCl₃, рівному 0.02 МПа. При цій температурі AlCl₃ практично повністю перетворювався в AlCl. Процес насичення рекомендують проводити при 950-1000 °С. В результаті дифузійного насичення на залізі утворюється шар інтерметалічної сполуки Fe₃Al.

Один з перспективних методів нанесення алюмінієвих покриттів – осадження алюмінію із парової фази. Алюмінієве покриття утворюється в результаті термічного розкладання парів алюмінійорганічних сполук, які пропускаються над гарячою поверхнею металу, що покривається. В якості алюмінійорганічних використовують різні сполуки алкідного типу: триізобутилалюміній, триметилалюміній, диізобутилалюмінійгідрид і інші. Для утворення алітованого шару виріб з алюмінієвим покриттям піддають відпалу.

На якість покриттів великий вплив має попередня підготовка поверхні. Якісні покриття з доброю адгезією до основи одержуються при температурі 260 °С і швидкості утворення 0.4-0.5 мкм/хв. Алюмінієві покриття цим методом можна наносити практично на всі матеріали, які витримують нагрів до 270 °С. Наступний дифузійний відпал призводить до утворення на поверхні інтерметалічних сполук.

1.9.2.6. Електролізне алітування в розплавах солей

Для створення алітованого шару можна проводити електролізне осадження алюмінію на поверхні сталі при 200-300 °С з наступним дифузійним відпалом. Для цієї цілі використовують розплавлені суміші наступних складів:

1) 75 % AlCl₃ + 25 % NaCl або 50 % AlCl₃ + 50 % NaCl (процес проводять при 200-250 °С, густині струму електролізу ĵ = 1А/дм²);

2) 75 % AlCl₃ + 23 % КCl + 2 % КJ або 80 % AlCl₃ + 18.5 % Cl + 1.5 % NaF (процес проводять при 300 °С).

Електролізне алітування в розплавах солей при високих температурах (800-950 °С) характеризується високою швидкістю насичення. Так, в сольовому розплаві [25 % (мольних) безводного AlCl₃ і 75 % (мольних) NaCl] при температурі 800 °С і густині струму електролізу 0.5 А/дм² протягом 4 год на вуглецевій сталі утворюється шар товщиною ~ 1,5 мм.

В якості ванни для алітування можна використовувати кріоліт (Na₃AlF₆). Але при температурах вище 900 °С кріоліт сильно випаровується.

Для алітування міді і латуні використовують розплав наступного складу: 0.5-1.3 % AlF₃, 8-20 % Na₃AlF₆, 25-45 % КCl і 37-57 % NaCl. Процес в цій ванні ведуть при 680-870 °С і густині струму електролізу 1.5-4.5 А/дм².

1.9.2.7. Безелектролізне алітування

У роботі [5] досліджено алітування без накладання струму в розплавлених солях. Використовували наступний склад суміші: 75-77 % евтектики 2KCl·3LiCl з температурою плавлення 350 °С, 3-10 % фториду алюмінію і 10-15 % металевого порошку алюмінію. Суміш готовили із солей хлоридів лужних металів марки ч. д. а., які попе­редньо сушили при 300 °С, потім сплавляли при постійній продувці розплаву хлористим воднем. Насичення проводили при 510-530 °С, 1-10 год. Кінетика насичення сталей марок У8, 55, 30Х13, 10 і армко-заліза представлена на рис.1.52.

Рис.1.52. Залежність товщини шару h від тривалості алітування: 1 – 4 – Т_нас = 600 °С в рідкій ванні; 1 – армко-залізо; 2 – сталь У8; 3 – сталь 55; 4 – сталь 30Х13; 5 – сталь 10 (Т_нас = 900 °С в порошковій суміші із 99.5 % FeAl +0.5 % NH₄Cl)

1.9.3. Структура і властивості шарів

Підвищення вмісту вуглецю в сталі, яка піддається алітуванню, призводить до зниження товщини шару (рис. 1.53).

Рис.1.53. Залежність товщини шару h на сталі від вмісту вуглецю при алітуванні в порошковій суміші (див. рис.1.52, крива 5) протягом 6 год при температурі, °С: 1 – 900; 2 – 1000; 3 – 1100

У процесі росту алітованого шару вуглець відтісняється в глибину і під покриттям утворюється збагачена вуглецем зона.

Вплив легуючих елементів на товщину алітованого шару добре ілюструє рис.1.54.

Рис.1.54. Залежність товщини шару h на армко-залізі з 0.02 % С від вмісту легуючих елементів після алітування при 950 °С, 6 год

Будова алітованого шару визначається складом насичуваного металу або сплаву, режимом і методом насичення. Припускати в покритті послідовність утворення фаз, яка відповідає діаграмі стану насичуючий метал – алюміній, не слід, так як в багатьох випадках ХТО формування шару не підчиняється рівноважним умовам. Часто в покритті утворюються спочатку фази вищого або середнього складу.

На рис.1.55, а, б наведена мікроструктура алітованих шарів на армко-залізі і сталі 45 після насичення в суміші № 6 (див. табл.1.38) при 1100 °С протягом 8 год. Поверхнева концентрація алюмінію в цьому випадку рівна 57-58 %.

Рентгеноструктурним аналізом на поверхні шару виявлений алюмінід FeAl₃. Мікротвердість по товщині алітованого шару плавно змінюється в напрямку до серцевини – від Н₅₀ = 7350 до Н₅₀ = 1900 МПа. Алітування сталей марок Э12, 45 і У8 у суміші запропонованого складу по режиму 1000 °С, 8 год підвищує жаростійкість при 1000 °С і тривалості випробування 26 год в порівнянні з вихідним станом в 145 і 65 раз відповідно.

У зовнішній частині алітованого шару на високовуглецевій сталі (0.7 % С і вище) в результаті тривалого насичення при 930-950 °С утворюються включення карбіду алюмінію Al₄С₃.

Рис.1.55. Мікроструктура покриття на армко-залізі (а) і сталі 45 (б) після алітування при 1100 °С, 8 год в суміші № 6 (див. табл. 1.38). х100

Застосування електронагріву призводить до зміни будови і властивостей алітованого шару в порівнянні з пічним нагрівом. При електронагріві з швидкістю 10 і 50 °С/с шар на армко-залізі складається лише із стовпчастих зерен. Мікрорентгеноспектральним аналізом встановлено, що поверхнева концентрація алюмінію при цьому становить 15-17 %. При пічному алітуванні вона рівна 30-50 % Al.

Під впливом ультразвуку при насичені в суміші 99 % FeAl + 1 % NH₄Cl при 950 °С, 6 год. змінюється будова алітованого шару на сплаві Fe + 4 % Al. В шарі контрольного зразка і зразка, “озвученого” через насичуюче середовище, фази розміщені в наступній послідовності: Fe₂Al₅ – FeAl – Fe₃Al –a і FeAl – Fe₃Al –a відповідно.

Мікроструктура покриття на сталі 45, яку піддали алітуванню в розплавленому алюмінію при 800 °С протягом 5 хв, наведена на рис.1.56. Рентгеноструктурним аналізом встановлено на поверхні шару наявність фази Fe₂Al₅. Дифузійний шар має голкоподібний вигляд.

Рис.1.56. Мікроструктура покриття на сталі 45 після алітування в розплавленому алюмінію при 800 °С, 5 хв. х200

Алітовані сплави ніобію з титаном (5-50 % Ті) мають високу стійкість проти окислення. Їх жаростійкість у порівнянні з алітованими в таких же умовах ніобієм в 5-10 раз вища. Рентгеноструктурний аналіз показав наявність на поверхні алітованого шару фази (Nb,Ti)Al₃.

Будова алітованого шару і його властивості на сплаві ВХ4 досліджено в роботах [2]. Насичення здійснювали в порошковій суміші 98 % FeAl + 2 % H₄Cl. Структура зовнішнього шару складається з трьох фаз NіAl, Nі₂Al ₃ і g - твердого розчину. Мікротвердість зовнішнього шару Н₅₀ = 9000 МПа. Внутрішня зона шару складається з двох фаз: g - твердого розчину і NіAl (Н₅₀ = 7000 МПа). Серцевина має наступний склад: g - фазу, Ni₃ (Ti, Al), Ti (C,N), NbC, фазу типу Me₇W₆. Мікротвердість серцевини Н₅₀ = 5000 МПа. Жаростійкість алітованого сплаву ВХ4 в порівнянні із неалітованим збільшується майже в 5 разів при 1000 °С і в 10 разів при 1100 °С. Алітування також підвищує термічну втому сплаву ВХ4.

У результаті алітування жаростійкість титану при 900 °С зростає майже в 10 разів, сплаву ВТ14 – в 5 разів.

Порівнювальне вібраційне випробування при низьких температурах зі сплаву Х77ТЮР при частоті власних коливань до і після алітування показало, що перша мікротріщина в небезпечному перетині з’являється значно раніше на неалітованих лопатках.

Встановлено, що алітування сталі 08Х18Н10Т в порошкових сумішах підвищує границю текучості і ударну в'язкість приблизно на 25-30 %, а границю втомної міцності (випробування при 250 °С в повітрі) на 10 %.

Будова, склад і властивості покриттів на сталях 12Х18Н10Т і 10Х11Н23ТЗМР після алітування в порошковій суміші 99 % FеАІ + 1 % NН₄Сl при 950 °С, 5 год досліджені в роботі [3]. Дифузійна зона на обох сталях складається з трьох шарів. Зовнішній є сполукою, близькою по складу до FeАІ. Проміжний шар має дисперсну структуру, яка складається з двох фаз: а‑твердого розчину і включень алюмініду. Внутрішній шар складається з g-твердого розчину. В табл.1.42 наведені дані по складу і мікротвердості шарів на цих сталях.

Визначений рентгеноспектральним аналізом розподіл легуючих елементів по товщині алітованого шару на сталях 12Х18Н10Т і 10Х11Н23ТЗМР показано на рис.1.57. Коефіцієнти лінійного розширення сталей після алітування незначно відрізняються від вихідних.

Таблиця 1.42.

Результати аналізу алітованого шару

на сталях 12Х18Н10Т і 10Х11Н23ТЗМР

Характеристика покриття	12Х18Н10Т	10Х11Н23ТЗМР
Зовнішній	Середній	Внутрішній	Зовнішній	Середній	Внутрішній
Фазовий склад	FеАІ	a+FеАІ	g-твердий розчин	FеАІ	a+FеАІ	a+FеАІ
А1, %	44,1	16,5	1,5	43,8	22,1	1,2
Нμ, МПа
h, мкм

Розглянемо будову і властивості шару на сірому чавуні, який утворюєтся після алітування в порошковій суміші, що складається з 65 % фероалюмінію (68 % А1), 33.5 % Аl₂О₃ і 1.5 % NH₄Сl. Розподіл кремнію, алюмінію і марганцю по товщині шару на сірому чавуні при температурі алітування 950-1050 °С показано на рис. 1.58. Рентгено­структурним аналізом встановлено, що алітований шар на сірому чавуні складається з фаз FеАІ, Fе₃АІС_X і a-твердого розчину.

Рис.1.57. Розподіл алюмінію і легуючих елементів по товщині шару на сталях 12Х18Н10Т (а) і 10Х11Н23ТЗМР (б) після алітування

Рис.1.58. Розподіл алюмінію, кремнію і марганцю і зміна мікротвердості Н_μ по товщині шару на сірому чавуні після алітування при 1000 °С.

Після алітування при 600 °С, 1 год в розплавлених солях хімічним аналізом встановлено, що в поверхневому шарі на армко-залізі, сталях У8, 55 і 30Х13 міститься відповідно 55, 66.6, і 69.7 % А1.

Залежність жаростійкості алітованих в розплаві солей зразків при 600 °С протягом 4 год і неалітованих від часу випробування при 1000 °С показана на рис.1.59.

Рис.1.59. Залежність жаростійкості алітованих (600°С, 4 год, в розплаві солей) зразків (1-5) і неалітованих (6-10) від тривалості випробування t при 1000 °С: 1,7 - сталь У 8; 2,8 - сталь 55; 3,10 - сталь 10 (900 °С, в суміші із 99.5 % FeAl + 0.5% NH₄СІ); 4,6 - армко-залізо; 5,9 - сталь 30Х13

1.9.4. Застосування алітування

Області застосування алітування різноманітні. Воно ефективне для деталей пічної арматури, чохлів термопар, тиглів і різних контейнерів, які використовуються для проведення процесів термічної і хіміко-термічної обробки. Алітування підвищує зносостійкість клапанів двигунів внутрішнього згорання в 1.5-2 рази. Значно підвищує стійкість деталей газогенераторних установок автомобілів і тракторів і т.д. В ряді випадків алітування дозволяє використовувати вуглецеві сталі замість дорогих високолегованих. Однак у виборі деталей необхідно проявити обережність.

Корозійна стійкість алітованої в розплавленому алюмінії сталі вища оцинкованої, особливо в атмосфері, яка містить сірчаний газ. Тому алітована гарячим способом сталь може знайти широке застосування в хімічному машинобудуванні, в автомобільній і тракторній промисловості, будівництві (виготовлення вентиляційного і каналізаційного обладнання).

У теперішній час процес алітування впроваджують в трубній промисловості. Розроблені технологічні процеси алітування труб в порошкових сумішах та в розплавленому алюмінію.

Після алітування більш ніж у 10 раз підвищується тривалість роботи нагрівачів із сплаву ОХ23Ю5А для цементаційної печі ШЦН-110.

Таким чином, алітування є ефективним процесом, який забезпечує значне підвищення довговічності виробів, які працюють в специфічних умовах (при підвищених температурах, в корозійних середовищах і інш.) [1].

Дата добавления: 2015-07-18