40 Упрочнение деталей машин осаждением химической реакцией

Оксидирование. Оксидная плёнка на поверхности стали или чугуна может быть получена с помощью одного из следующих способов: обработкой заготовок изделий в кислотных или щелочных растворах, электрохимической обработкой на аноде в хромовой кислоте или щёлочи, термической обработкой при температуре 400 – 800 ºС.

Цвет оксидной плёнки зависит от технологии её получения, толщины и марки металла и вида механической обработки. Толщина плёнки достигает 0,5 – 0,8 мкм при щелочном холодном оксидировании и до 10 мкм – при высокотемпературных процессах.

Наибольшее применение получило химическое оксидирование путём погружения заготовок в горячий раствор щёлочи с добавкой окислителей и выдержки в нём.

Покрытия, полученные электрохимическим оксидированием, имеют лучшие свойства, чем химические покрытия. Плёнки в этом случае более толстые и плотные. В начале процесса ведут обезжиривание и анодную обработку в 5%-ном растворе K₂Cr₂O₇ при температуре 45 – 55 ºС, плотности тока 3 – 5 А/дм² в течение 10 – 15 минут. Оксидирование ведут в щелочном или кислотном растворах.

Термическое оксидирование – процесс образования оксидной пленки на металле при повышенных температурах и в кислородсодержащих (может быть водяной пар) атмосферах. Термическое оксидирование проводят в нагревательных печах. При термическом оксидировании низколегированных сталей либо железа (операция называется воронение) температуру поднимают до 300–350°С. Для легированных сталей термическое оксидирование проводится при более высоких температурах (до 700°С). Продолжительность процесса – около 60 минут.

Фосфатирование. Фосфатирование – процесс осаждения на поверхности металла нерастворимых в воде фосфорнокислых соединений в результате взаимодействия металла с ортофосфорной кислотой. Содержание процесса заключается в обработке поверхности металла подкисленными растворами однозамещенных фосфатов, в результате которой на поверхности заготовки образуется плёнка фосфатов.

Фосфатные покрытия представляют собой мелкокристаллическую плёнку, состоящую из фосфатов марганца и железа или цинка и железа. Фосфатная плёнка толщиной 7–50 мкм имеет чёрный цвет и пористую структуру из-за растворения основного металла. Плёнка прочно соединена с основой. На плёнке хорошо закрепляются лакокрасочные материалы, она обладает большой электропробивной прочностью (до 1000 В). По твёрдости фосфатная пленка превосходит медь и латунь, но уступает стали.

Фосфатная плёнка состоит из двух слоёв. Первый слой, непосредственно примыкающий к металлу, прочно с ним связан и содержит монофосфаты железа. Второй наружный слой состоит из монофосфатов марганца с незначительной примесью вторичных фосфатов железа, он хрупкий и имеет кристаллическое строение.

Для получения фосфатных покрытий применяют однозамещенные фосфаты двувалентных металлов: марганца, железа, цинка и кадмия. Препарат МАЖЕФ (по начальным буквам составляющих – марганца, железа и фосфорной кислоты) представляет собой смесь однозамещенных солей ортофосфорной кислоты: Fe(H₂PО₄)₂, Mn(H₂PО₄)₂· H₂О, МnНРО₄ и (%) : Fe (2,4–2,5); Мn (14); фосфатов, в пересчёте на P₂O₅(46–52); SО₄ (1); СаО и CI – следы; вода (1–2).

Наиболее эффективно процесс фосфатирования протекает в растворе, содержащем 30–33 г/л препарата МАЖЕФ при температуре 96–98°С. Толщина плёнки при этом достигает 7–50 мкм.Фосфатируют углеродистые и низколегированные стали, чугун, кадмий, медь и её сплавы и алюминий. Высоколегированные стали плохо поддаются фосфатированию.

Сульфидирование. Сульфидирование – термохимический процесс обработки изделий, изготовляемых из сплавов на железной основе, для обогащения поверхностных слоев серой.

Сульфидирование производят в жидкой, твёрдой или газовой серосодержащей среде; оно может быть низко-, средне-, высокотемпературным: 150 – 450; 540 – 580; 850 – 950 ºС. В поверхностном слое образуются фазы FeS и FeS₂. Шероховатость поверхности после сульфидирования значительно выше исходной; размеры деталей несколько увеличиваются.

Эффект сульфидирования: сульфидная плёнка, имеющая меньшую плотность, чем основной металл, легко разрушается при трении и отделяется от основания без его пластического деформирования, предотвращая схватывание трущихся поверхностей. Продукты износа активизируют действие смазочного масла. Все это ускоряет приработку поверхностей и обеспечивает малую шероховатость после приработки. Применение: поршни и кольца двигателей внутреннего сгорания, компрессоров и паровых машин, поршни, подшипники скольжения насосов, центрифуг, выпускные клапаны и т.д.

Эпиламирование выполняют в эпиламирующих составах. Эпиламирующие составы – поверхностно-активные вещества, снижающие количество поверхностной энергии, степень адгезии контактирующих материалов, локализующие поверхностные микротрещины и ограничивающие возможность их роста. Основная особенность веществ этого класса – высокая адсорбционная способность, в результате которой на обрабатываемой поверхности образуются разделительные барьерные плёнки с очень низким запасом поверхностной энергии – эпиламы. Эпиламы представляют собой раствор высокомолекулярных фторсодержащих поверхностно-активных веществ во фторсодержащих растворителях –хладоне 113, смеси хладонов 112 и 113, хладоне 114В2 и др. Из раствора адсорбируются на поверхности в виде мономолекулярного или близкого к нему по своим свойствам слоя, резко снижая микротвёрдость поверхностного слоя и, следовательно, поверхностное напряжение и запас энергии. Эпиламирующие составы – высокоэффективный способ упрочняющей обработки. Применяют с целью повышения износостойкости поверхностей деталей машин и особенно для увеличения стойкости инструментов всех типов, используемых в различных отраслях промышленности при обработке металлов резанием, вытяжке, прокатке, штамповке, прессовании, в том числе деталей из органических материалов, а также при формообразовании и вулканизации изделий из резины и каучука и т.п.

Осаждение из газовой фазы. Химическое осаждение из пара (CVD, Chemical Vapor Deposition) – это наращивание твёрдого вещества на поверхность подложки в результате химического превращения паров летучего вещества. Сущность метода CVD заключается в том, что компоненты получаемой плёнки транспортируют в виде паров их летучих соединений в реактор, где на подложке происходит разложение паров и образование плёнки требуемого состава. В большинстве случаев в качестве исходных соединений (прекурсоров) используют летучие карбонилы, галогениды, гидриды или металлоорганические соединения. Их разложение проводят либо термическим путём, либо применяя другие методы подвода энергии (плазма, УФ-, ИК- и лазерное излучения, электронный и ионный удары). Метод позволяет получать все морфологические типы материалов:порошки, тонкие и толстые плёнки, плёночные гетероструктуры, монокристаллы, стекла, а также все их структурные разновидности (аморфные материалы, поликристаллические материалы с различной микроструктурой, нитевидные кристаллы (вискеры) и колончатые структуры).