Насыщения поверхностных

После насыщения поверхности металла хемосорбированным окислителем, что происходит обычно почти мгновенно и приводит к образованию монослоя окислителя, при низких температурах может иметь место и физическая адсорбция молекул окислителя за счет ван-дер-ваальсовых сил поверх хемосорбированного слоя (рис. 11).

Многие процессы, протекающие в металлах и сплавах (процесс кристаллизации, фазовые и структурные превращения, рекристаллизация, процессы насыщения поверхности другими компонентами), носят диффузионный характер.

При небольшом содержании в эндотермической атмосфере СП, до 5,0 % (объсмп.) — он не участвует непосредственно в протесе насыщения поверхности детали углеродом, а увеличивает содержание в атмосфере СО: СН4 + Н..О -> СО + ЗН.,; СП4 - СО. ->2СО -I-+ ЗН,; СО + Н2 -> Н,0 + Саг.

Цианирование является процессом одновременного насыщения поверхности стали С и N. Цианирование повышает твердость и износоустойчивость поверхностного слоя изделий, а также увеличивает сопротивляемость их коррозии.

Диффузионная металлизация — это процесс насыщения поверхности стали каким-либо металлом или другим элементом. Для этого применяют Сг (хромирование), А1 (алитирование), Si (силицирование), В (борирование) и др. Диффузионная металлизация может производиться в твердых, жидких и газообразных средах.

Химико-термическая обработка — это технологический процесс, при котором химический состав, структура и свойства поверхности металла изменяются с помощью диффузионного насыщения поверхности различными элементами при повышенных температурах. Как следствие изменения структурно-энергетического состояния поверхности металла, изменяются и его объемные свойства (исследования) (Г. Н. Дубинина).

дится как предельное значение емкости, отвечающее адсорбционному насыщению при возрастании объемной концентрации органического вещества. Довольно часто адсорбционное насыщение не отвечает сплошному монослою, т. е. плотно упакованной поверхностной пленке органического вещества, а составляет лишь некоторую его долю. На это указывает, в частности, тот факт, что площадь, занимаемая одной молекулой (частицей) ингибитора в состоянии адсорбционного насыщения поверхности металла, заметно больше, чем площадь молекулы данного соединения, рассчитанная по моделям, например по модели Стюарта — Бриглеба. В результате этого для большинства органических веществ Сог& будет меньше, чем Ce=i и в, найденное по уравнению (61), и окажется завышенным по сравнению с истинной степенью заполнения поверхности корродирующего металла. Несмотря на отмеченные ограничения, метод, основанный на измерении дифференциальной емкости, весьма полезен и позволяет получить ценную информацию о механизме ингибирующего действия органических веществ.

После насыщения поверхности раздела водяными парами на ней возможно образование активных центров. При этом неупорядоченный гидролиз силоксановой связи (вероятно, той, что ближе к стеклянной поверхности) приводит к появлению двух силаноль-ных групп, способствующих адсорбции гидрофильных соединений и, возможно, молекул воды. Участки поверхности, соприкасающиеся с этими группами, гидролизуются, т. е. гидролиз протекает в местах образования активных центров. Гидролиз димерного слоя аппрета АПС (рис. 9) возможен только в «плоскости средней точки» дим-еров. /При максимальной толщине покрытия (рис. 8), представляющего собой мультислой АПС довольно большой толщины, эта плоскость может произвольно перемещаться зигзагами в вертикальном (перпендикулярно поверхности) направлении на участке, содержащем максимальное количество связей; в этом случае долговечность адгезионного соединения -будет такой же, как и на рис. 9.

Для повышения износостойкости применяют весьма разнообраз-ные способы насыщения поверхности металлов и сплавов, которые можно разделить на следующие: насыщение химическими элементами (однокомпонентные, двухкомпонентные и многокомпонентные покрытия); покрытие химическими соединениями (карбидами, нит* ридами, окислами).

Первые исследования [31] были проведены по изучению возможности диффузионного насыщения поверхности металла углеродом. Опыты по облучению железа, на поверхность которого наносились слои различных углеродосодержащих соединений, в том числе и графит, проводились с использованием импульсного лазерного излучения. Результаты рентгеноструктурного анализа свидетельствуют о насыщении железа углеродом, причем до достаточно высокой концентрации с образованием твердого раствора железо — углерод. Металлографические исследования показали, что на поверхности железа с покрытием после лазерного облучения образуется белый слаботравящийся слой с равномерной микротвердостью, достигающей 1400 кгс/мм2. За ним идет термообработанный слой с микротвердостью 1000 кгс/мм2.

С точки зрения реализации процесса насыщения поверхности конструкционных материалов легирующими элементами в условиях лазерного облучения наиболее перспективным является изучение диффузионных явлений в жидкой фазе, а также в условиях конвективного и механического перемешивания расплава двухкомпонент-ной системы.

Диффузионная металлизация — процесс диффузионного насыщения поверхностных слоев стали различными металлами. При насыщении хромом этот процесс называется хромированием, алюминием — алитированием, кремнием — силицирова-нием и т. д. Комбинированные процессы, заключающиеся в одновременном насыщении хромом и алюминием, или хромом и вольфрамом, называют хромоалитированием, хромовольфрами-рованием и т. д.

Оценка насыщения поверхностных слоев металла газами производится по данным химического анализа или измерением твердости. На эффективность газовой защиты существенное влияние оказывают конструкция наконечника, расстояние от мундштука до изделия, расход Аг и др.

Диффузионные покрытия. Диффузионные покрытия обладают сравнительно высокой коррозионной стойкостью и имеют ряд преимуществ перед гальваническими покрытиями. Диффузионные покрытия получаются в результате насыщения поверхностных слоев защищаемого металла атомами защищающего металла и диффузии последних в глубину защищаемого металла при высоких температурах, поэтому описанный способ получения покрытий называют термодиффузионным.

Процесс диффузионного насыщения поверхностных или более-глубоких слоев углеродистой стали или чугуна алюминием носит название алитирования. Процесс алитирования осуществляют в герметически закрытой жароупорной форме, заполненной порошкообразной смесью состава: 49% сплава Fe — AI в порошке, 49% А12О3 и 2% NH4C1. Продолжительность выдержки изделий в печи от 4 до 25 ч, в зависимости от требуемой жаростойкости стали. Толщина диффузионного слоя зависит от температуры и продолжительности алитирования. Нагрев реактора в печи производится при 900—1000° С, в результате чего происходит диффузия алюминия в основной металл. Алитировапие из газовой фазы производится применением летучего хлорида алюми-

Методы диффузионного насыщения поверхностных слоев стальных изделий азотом, бором, кремнием, углеродом используют давно, главным образом, для повышения их контактной прочности и износостойкости, сопротивления усталости и реже для повышения коррозионной стойкости. Например, антикоррозионному азотированию можно подвергать любые стали, в том числе простые углеродистые. Процесс насыщения ведут при 600—700°С в течение 0,5—1,0 ч. При таком режиме насыщения из газообразного аммиака на поверхности изделия образуется сплошной слой, состоящий из коррозионностойкой е -фазы, защищающий металл от атмосферной коррозии, агрессивного воздействия воды и других коррозионных сред.

Износостойкость в рассматриваемых условиях повышают применением хорошо прирабатывающихся пар из мягких антифрикционных (подшипниковых) материалов в сочетании с твердыми (подвергнутыми термической или термохимической обработке) сталью или чугуном; использованием неметаллических материалов, в первую очередь пластмасс, работающих в паре с чугуном ц сталью; применением закаленной стали и чугуна, работающих в паре с чугуном; созданием на поверхностях трения пленок окислов или химических соединений, прочность которых меньше прочности основного материала, например, за счет суль-фпднрования (насыщения поверхностных слоев серой).

Примером методов первой группы является нониое азотирование [4, 42], которое может проводиться при более низких температурах и со значительно большей скоростью (табл. 20), чем традиционное (в результате радиационного стимулирования скорость диффузии азота многократно увеличивается). Ионно-днффузионные методы могут быть также применены для насыщения поверхностных слоев кремнием, углеродом и другими элементами, получения карбонитридных слоев и т. п.

К способам защиты от газовой коррозии относится процесс диффузионного насыщения поверхностных слоев стали различными металлами. Для защиты металла нужен плотный, свободный от пор слой окалиностойкого материала, очень прочно сцепленный с основным металлом.

Диффузионная металлизация — процесс диффузионного насыщения поверхностных слоев стали различными металлами. При насыщении хромом этот процесс называется хромированием, алюминием — алитированием, кремнием — силицирова-нием и т. д. Комбинированные процессы, заключающиеся в одновременном насыщении хромом и алюминием, или хромом и вольфрамом, называют хромоалитированием, хромовольфрами-рованием и т. д.

Примером методов первой группы является ионное азотирование 14, 42J, которое может проводиться при более низки* температурах и со значительно большей скоростью (табл. 20), чем традиционное (в результате радиационного стимулирования скорость диффузии азота многократно увеличивается). Ионно-диффузионные методы могу)' быть также применены для насыщения поверхностных слоев кремнием, углеродом п другими элементами, получения карбонитридных слоев и т. п.

Основными дефектами процессов насыщения поверхностных слоев изделий углеродом и азотом являются отслаивания; грубозернистый излом и хрупкость; магкая поверхность; крайне малая толщина насыщенной пленки и снижение твердости; повышенная хрупкость.

Для углеродистых и легированных сталей типа ЗОХГТ, 25ХГМ, 20ХН2М, 20ХГНТР, подвергаемых непосредственной закалке после насыщения, существуют разработанные на отдельных предприятиях шкалы балльности для оценки избыточных карбидов и количества остаточного аустенита в слое. Для сталей типа 18ХНМА, 20Х2Н4А, 20ХНЗА кроме названных шкал на практике используют шкалы балльной оценки качества насыщения до повторной закалки. Сюда можно отнести размер избыточных карбидов после насыщения и микроструктуру после высокого отпуска до повторной закалки. Эти шкалы целесообразно использовать для выбора и корректировки режимов повторной закалки. Однако указанные методы анализа травленых шлифов не пригодны для выявления при текущем контроле дефектов насыщения поверхностных слоев (внутреннего окисления, темной составляющей при нитроцементации, наличия небольших количеств не-мартенситных продуктов превращения переохлажденного аустенита, образующихся вследствие недостаточной скорости охлаждения, и пр.). Поэтому для полной оценки эксплуатационной надежности деталей необходим дополнительный критерий контроля структуры.