Газовое цианирование

Плюсы и минусы диффузионного насыщения металлов

Применяя диффузионную металлизацию, в поверхностный слой металлического изделия можно внедрить практически любой диффундирующий элемент – это следует отнести к положительным аспектам метода.

Отрицательные же аспекты, которые не позволяют широко использовать такую обработку на предприятиях, следующие:

  • скорость диффузии очень мала и требует многих часов обработки;
  • поддержание высоких температур ведет к серьезным затратам энергии;
  • из-за повышенного нагрева деталь подвергается деформации;
  • полученный слой уступает по показаниям защиты слоям, получаемым менее затратными методами, например нитроцементацией.

1 Диффузионное насыщение стальных поверхностей – каким оно бывает?

Диффузионная металлизация – это метод насыщения изделий из сталей алюминием (алитирование, алюминирование), цинком (цинкование), бором (борирование), хромом (хромирование) или кремнием (силицирование). Такое нанесение повышает механические качества материалов, из которых изготовлены обрабатываемые детали – в частности, упрочняет их. Также описываемая методика подходит для восстановления деталей металлизацией.

  • Как проводят хромирование в домашних условиях
  • Для чего производится хромирование дисков и процесс его выполнения
  • Какое оборудование для хромирования бывает?

Диффузионная металлизация может быть:

  • жидкой – изделие погружается в расплав металла;
  • твердой – используется ферросплав, содержащий хлористый аммоний;
  • газовой – выполняется в газовых атмосферах, в которых присутствуют галогенные комбинации диффундирующего компонента.

Диффузионная металлизация придает деталям из углеродистой стали высокую жаростойкость (для этих целей применяется силицирование или алюминирование (алитирование)), стойкость к абразивному износу и повышенный показатель твердости. Изделия после алитирования стали становятся более качественными, их можно эксплуатировать в средах, где всегда имеется повышенная температура (вплоть до 1100 °С).

Диффузионная металлизация имеет несколько недостатков:

  • малая скорость диффузии (алитирование, силицирование – это достаточно длительная процедура);
  • тонкие слои, которые по своим защитным свойствам в несколько сотен раз менее эффективны, нежели покрытия, получаемые, например, при цементации стали.

Эти недостатки существенно ограничивают применение диффузионной технологии на промпредприятиях.

Методы насыщения[ | код]

Твёрдая диффузионная металлизация | код

Металлизатором является ферросплав с добавлением хлористого аммония (NH4Cl). В результате реакции металлизатора с HCl или Cl2 образуются летучие соединения хлора с металлом (AlCl3, CrCl2, SiCl4 и так далее), которое в результате контакта с металлической поверхностью диссоциирует с образованием свободных атомов.

Жидкая диффузионная металлизация | код

Данный вид металлизации проводят погружением детали в расплавленный металл, если диффундирующий металл имеет низкую температуру плавления.

Газовая диффузионная металлизация | код

Проводят в газовых средах, состоящих из галогенных соединений диффундирующего элемента. Газовая диффузионная металлизация осуществляется в муфельных печах или в печах специальной конструкции при 700…1000 °С. Газовая фаза может генерироваться на расстоянии от поверхности насыщения (бесконтактный способ), или же в зоне контакта источника активной фазы с поверхностью металла (контактный способ).

Достоинства диффузионного насыщения металлов

Поверхность диффузионно-металлизированной детали обладает высокой жаростойкостью, поэтому жаростойкие изделия изготавливают из простых углеродистых сталей с последующим алитированием, хромированием и силицированием. Исключительно высокой твёрдостью (до HV 2000) и высоким сопротивлением абразивному износу обладают борированные слои, вследствие образования на поверхности высокотвёрдых боридов железа – FeB и Fe2B; однако борированные слои очень хрупкие. Сульфидирование – поверхностное насыщение стали серой. Для режущего инструмента стойкость повышается в 2–3 раза.

Виды диффузионной металлизации

Классификацию видов диффузионной металлизации можно провести по нескольким признакам. В первую очередь по типу металла, который будет посредством диффузии проникать внутрь поверхностного слоя. Здесь выделяют:

  1. Алитирование, когда термохимическим способом деталь насыщают атомами алюминия.
  2. Хромирование – диффузионное насыщение стали атомами хрома.
  3. Титанирование – внедрение атомов титана в поверхностный слой стали.
  4. Цинкование, когда термохимическим способом металлическую деталь насыщают элементарными частицами цинка.
  5. Силицирование – диффузионное насыщение стали кремнием.
  6. Борирование – получение высокопрочного поверхностного слоя металла путем внедрения туда атомов бора диффузионным способом.

По состоянию среды, где протекает обработка металла диффузионным способом, металлизация проводится:

  • в твердой среде;
  • в жидкой среде;
  • в газообразной среде.

Твердая металлизация

Этот тип металлизации проводят посредством использования активной твердой среды на основе ферросплавов. Под эту категорию подпадают ферросилиций, ферроалюминий, феррохром (перечисленные компоненты вводят в рабочую область как порошки), плюс к ним еще добавляют аммоний хлористый (NH4Cl), не превышающий 5% от общей массы твердого компонента. Засыпанные порошком детали помещают внутрь специальной печи. Насыщение в твердой среде проводят для стали, кобальта, никеля, титана и других металлов при температуре от 1000 до 1500 градусов по Цельсию.

При повышении температуры до рабочего уровня аммоний хлористый начинает вступать в реакцию с ферросплавом, результатом чего является выделение нестойких термических хлоридов металла CrCI2, AlCI3, SiCI4 и других. Эти хлориды, соприкасаясь со стальной поверхностью, начинают диссоциировать. Выделяется химически активный элемент, который проникает в поверхностный слой изделия, насыщая его.

Жидкая металлизация

Диффузионное насыщение в жидкой среде применяют, когда необходимо провести цинкование, хромирование, меднение, алитирование. Для этого используют так называемые ванны-печи, куда помещен расплав, который будет диффундировать, либо соль этого металла. Необходимые для обработки детали помещают в эту жидкую среду при температуре от 800 до 1300 градусов по Цельсию.

Жидким методом можно осуществить диффузионную металлизацию одновременно несколькими элементами. При комплексной металлизации получают такие типы покрытия, как хромоникелирование, хромоалитирование, хромотитанирование.

Газовая металлизация

Диффузию газовой средой проводят для стали и других металлов такими элементами, как молибден, хром, алюминий, титан, ниобий, вольфрам. Химические газообразные соединения этих элементов при соприкосновении с основным металлом вступают с ним в реакцию, и результатом этого является диффузия. Газовой средой обычно выступают галогениды металлов, атомы которых должны проникнуть внутрь поверхностного слоя металлического изделия.

Металлизацию газовую проводят в печах муфельного типа или в специализированной конструкции, где поддерживается температура порядка 700–1000 градусов по Цельсию.

Виды металлизации

Металлизация поверхностей производится различными методами. Выбор метода зависит от технологии нанесения и используемого при этом оборудования.

В таблице приводятся способы нанесения металлического слоя и наносимые металлы, и их сплавы.

МЕТАЛЛИЗАЦИЯ
Группа 1 Группа 2
Подгруппа 2а Подгруппа 2б
Электротехнические покрытияХром, цинк. Медьсплавыникель-кобальтхром-никельбронза и прочие Плакирование, в том числе нанесение покрытия взрывомМедь, алюминий, серебро, вольфрам, латунь, бронза, нержавеющая сталь Диффузионное нанесение элементовАлюминий, цинк, молибден и прочие
Плазменное напылениеВольфрам, никель, хром, Al2O3, ZrO2, MoSi2, WC, NbC, ZrB2
Распыление (пульверизация) электродуговым, газопламенным методомАлюминий, серебро, медь, золото, бронза, латунь, сталь Окунание в расплавленный металлЦинк, свинец и прочие
ЭлектрофлрезВольфрам, молибден, кобальт и прочие Диффузионное нанесение сплавовХром-алюминийАлюминий-хром-кремнийТантал-алюминийи прочие
Вакуумное нанесение на нагретую поверхностьХром, титан, оксиды алюминия, циркония и прочие
Химическое нанесениеМедь, ртуть, платина и прочие Электротехнические покрытия с отжигомХром, никель, кадмий
Вакуумное нанесение на холодную поверхностьZn, Cd, Al, Ti, Cr, Au, Ag, Pt, Cu, Sn, W, Mo, TaZn-Al, Pb-ZnPb-Cd и прочие Осаждение чистых металлов из соединений карбонатов в газовой средеCr, Co, W, Ni, Mo, Ta и прочие
Катодное распылениеЗолото, серебро, платина, тантал Осаждение карбидов, нитридов, силицидов, боридов из газообразного состоянияTiC, NbC, W2C, HfC, ZrN, TaN, MoSi2, CrSi2, TaB2, NiB2 и прочие

Из широкого спектра методов следует рассмотреть несколько, которые часто используются на производствах.

Вакуумная металлизация

Формирование наносимого слоя металла в вакууме отличается эффективностью и универсальностью. С его помощью металл можно наносить на любой материал. Во время вакуумной металлизации с металлом, предназначенным для нанесения, происходит ряд превращений, связанных с переходом из одной фазы в другую. Так можно выделить:

  • испарение;
  • конденсирование;
  • адсорбция;
  • кристаллизирование.

Во время процедуры протекает множество физических и химических процессов. Производительность вакуумного метода зависит от типа поверхности, наносимого материала, потока распыленных атомом и прочих.

Вакуумная металлизация

Оборудование, применяемое при вакуумной технологии, делится на три типа:

  1. непрерывного действия;
  2. полу непрерывного действия;
  3. периодического действия.

Различные типы оборудования позволяют его применять как при массовом производстве, так и при единичном изготовлении деталей.

Газовая металлизация

В основе метода газовой металлизации лежит распыление расплавленного металла. С помощью кислородно-ацетиленового пламени начинает плавиться проволока, подаваемая в зону нагрева. Расплав сжатым воздухом удаляется из зоны нагрева и переносится на поверхность. Мелкие капли расплава, соударяясь с поверхностью, становятся плоскими, что обеспечивает лучшую сцепляемость.

Газовая металлизация — схема

На рисунке показана схема головки распылителя. Где по каналу 1 подается кислородно-ацетиленовая смесь, через сопло 2 выходит расплавленный металл, а через камеру 3 выталкивается наружу расплав.

Цинкование

Цинкованием обеспечивается надежная защита от коррозии. Наносимый на поверхность слой содержит не менее 95% цинка. Цинкование проводится несколькими методами, среди которых можно выделить следующие:

  • горячее;
  • холодное;
  • гальваническое;
  • газотермическое;
  • термодиффузионное.

Какой метод использовать для нанесения цинка во многом зависит от того где и при кахих характеристиках будет эксплуатироваться деталь. Цинковое покрытие мягкое, поэтому во время эксплуатации на него не должны оказываться значительные механические нагрузки.

2 Назначение химической металлизации и ее особенности

Проводится металлизация с различными целями, чаще всего это получение декоративного покрытия. Еще подобным способом можно устранить такие мелкие дефекты, как микротрещины, поры и т. д. Однако это далеко не единственная задача, с помощью хим металлизации иногда производят и восстановление деталей, правда, достаточно редко. Основное же назначение покрытия из определенного металла – улучшение свойств основного материала. Таким образом достигаются великолепные антикоррозионные характеристики, повышается стойкость, увеличивается твердость, осуществляется защита от эрозии. В общем, можно сказать, что с помощью хим металлизации появляется возможность получения покрытий с заданными свойствами.

Итак, выше уже были рассмотрены разные способы нанесения защитных покрытий, осталась без внимания только хим металлизация. На ней сейчас и остановимся более подробно. Данная технология заключается в том, чтобы обеспечить идеальные условия для протекания окислительно-восстановительных реакций. В этом случае атомы, у которых окислительно-восстановительный потенциал находится на более высоком уровне, вырываются наружу. На видео мы не увидим явного процесса перехода, но отчетливо заметим изменение цвета детали.

Технология проведения химической металлизации заключается в следующем: на поверхность наносятся специальные реагенты, которые вступают в реакцию между собой, в результате чего образуется покрытие. Причем последнее может иметь самые разные цвета, при необходимости создаются даже такие покрытия, которые сочетают в себе несколько оттенков, плавно переходящих друг в друга.

Виды металлизации

Современные технологии позволяют проводить процедуру с применением различных физических, механических и химических методов. Основные виды металлизации:

  • термическая обработка;
  • гальваническая;
  • электродуговая;
  • газоплазменное напыление;
  • плазменная металлизация;
  • с использованием эффекта диффузии;
  • химическая металлизация;
  • плакирование;
  • вакуумная обработка.

Под термической обработкой понимают нанесение на поверхность металлизирующего слоя при погружении в ванну с расплавленным металлом. Такая обработка допустима только в том случае, если температура плавления детали значительно выше температуры плавления наносимого металла.

Гальванический способ предполагает использование специального электролита. Обработка происходит под воздействием протекающего тока. Этот способ позволяет проводить покрытие металлом любой поверхности, так как не требует дополнительного нагрева. Нанесенная пленка получается одинаковой толщины на всей поверхности.

Диффузионное напыление – это насыщение поверхностного слоя одним из цветных металлов (цинком, алюминием, хромом или бором). Это приводит к улучшению прочностных показателей. С его помощью восстанавливают изношенные детали.

При химической металлизации применяются различного рода реагенты. Они изготавливаются в жидком виде или в форме порошков. Для проведения операции подготавливают ванну с раствором и затем в нее опускают деталь. Для каждого состава существует свое эффективное время воздействия на поверхность.

Под плакированием понимают металлизацию с дальнейшей горячей прокаткой.

Вакуумная

Данная металлизация основана на последовательном испарении (адсорбции) и последующем выпадении частиц металла на поверхность обрабатываемой детали. Технологический процесс ее реализации довольно сложный и затратный. Потому его применяют на предприятиях и в условиях мастерских. Этот метод обладает рядом преимуществ, что позволяет использовать его для деталей из различных материалов (дерева, пластика, керамики, стекла и других полимерных соединений). Особое распространение он получил для металлизации пластмассы на автомобильных заводах. Вакуумная металлизация позволяет получить изделие с эффектным внешним видом, но не улучшает прочностных характеристик.

Газовая

Эта методика носит название газопламенной металлизации. Сущность процесса заключается в применении газовой струи для нагрева подаваемой проволоки, которая является источником напыляемого металла. Благодаря высокой температуре проволока расплавляется, и капли, ударяясь о поверхность, образуют на ней довольно ровный слой. Толщина этого слоя зависит от объема используемой проволоки. После нанесения покрытия его обрабатывают с помощью шлифовального оборудования. С помощью газовой металлизации восстанавливают коленчатые и распределительные валы автотракторной техники. Для реализации этого метода применяют оборудование и газы, используемые при проведении сварочных работ.

Цинкование

Широко распространенным способом защиты черных металлов от коррозии является цинкование. В качестве материала используется цинк, который наносится на поверхность различными методами (горячим, холодным, гальваническим, термодиффузионным).

Технологии реализации этих методов отличаются только используемым материалом. Процесс нанесения цинка, или оцинковка, применяется для обработки листового проката, труб, изделий произвольной геометрической формы.

4 Можно ли провести химическую металлизацию в домашних условиях?

Итак, рассмотрев всю теоретическую часть, стоит перейти к практической и выяснить, возможно ли своими руками осуществить химическую металлизацию, где искать оборудование и реагенты, которые понадобятся для этого?

Конечно, подобная обработка деталей может навредить здоровью, но только в том случае, если игнорировать технику безопасности, поэтому данному вопросу отведено отдельное место в статье. Что же насчет ранее описываемого способа хим металлизации, то технология не представляет ничего особо сложного. Как уже говорилось, она очень похожа на простую покраску, там не используется замысловатое оборудование, главное — выдерживать последовательность. Сейчас же более детально рассмотрим иной метод, который несколько сложнее в исполнении.

Нам понадобятся эмалированная емкость, реагенты, паяльная лампа и, желательно, некоторые знания в области химии, для того чтобы точно определиться с необходимыми компонентами. Подготовив все расходные материалы для химической металлизации и простенькое оборудование, приступаем к обработке самой детали. Ее следует хорошенько очистить и обезжирить. Учтите, данная операция весьма важна и не терпит халатного отношения, так что берем щелочной раствор либо же хорошее моющее средство и тщательно удаляем все органические загрязнения. Не забываем и промыть элемент под проточной водой, дабы смыть само моющее средство.

Теперь понадобится установка для химической металлизации. Так как к деталям нужно будет подвести ток, то крепить их нужно на проводящие основания. Далее опускаем изделие в ванну с раствором, подаем напряжение и вытаскиваем через час. Если качество покрытия устраивает, отключаем оборудование, и дело остается за малым — просто отполировать остывшую деталь.

4 Другие способы металлизации стальных деталей – вакуумное и плазменное напыление

Широкое распространение получила вакуумная металлизация и напыление конструкций из стекла, металла, керамики, пластмасс и пластика. Ее используют для улучшения декоративных характеристик:

  • сварных конструкций;
  • решеток, светильников, элементов экстерьера и интерьера;
  • разной по назначению фурнитуры;
  • сувениров;
  • аксессуаров транспортных средств.

Чтобы качественно выполнить подобное напыление, требуются специальные устройства и дорогое оборудование – магнетронные системы, дуговые и ионные источники. Вакуумная металлизация подходит для защиты стеклянных, металлических, пластиковых и керамических изделий. Для процесса необходимо особое оборудование, поэтому выполнить его в домашних условиях невозможно.

Еще одна сложная методика защиты поверхности – плазменная металлизация. Она также требует применения специального оборудования, позволяющего получать ионизированный газ (техническую плазму). Такой вид обработки производят при помощи порошковых материалов, дополнительно используют металлические прутки и проволоку.

Применение

Металлизация используется для изменения характеристик обрабатываемого изделия. После того, как нанесли слой металла или сплава, деталь получает дополнительную стойкость к высоким температурам, коррозии, износу, эрозии. Кроме этого нанесенный слой может служить для защиты и декоративного оформления готового изделия. С помощью металлизации производится восстановление изношенных деталей.

Поверхность детали после металлизации

Области применения:

  • Электромашиностроение. Электротехнические компоненты необходимы в любой из отраслей промышленности. Их необходимо защитить от изнашивания, обеспечить точный уровень электрической проводимости. Покрытие металлизация используется при изготовлении:
    1. микроволновых схем;
    2. электродов конденсаторов;
    3. микроволновых отражателей;
    4. катушек индукции;
    5. керамических резисторов;
    6. валов двигателей.
  • Транспортная промышленность. Нанесенный слой обеспечивает эксплуатирующимся деталям защиту от коррозии, механического воздействия, повышенной температуры. Методом покрытия пользуются при изготовлении:
    1. поршней
    2. компрессионных колец;
    3. распредвалов;
    4. стопорных колец;
    5. полуосей;
    6. тормозных дисков;
    7. вытяжных вентиляторов;
    8. гидроцилиндров;
    9. теплоотводов;
    10. шасси;
    11. глушителей;
    12. деталей двигателей;
    13. деталей коробок скоростей.
  • Авиационная и космическая промышленность. Термическое напыление обеспечивает термостойкость, коррозионостойкость, сопротивляемость трению. Напыляют на:
    1. детали двигателя:
    2. роторы;
    3. лопатки турбин;
    4. лопатки компрессоров;
    5. камеры сгорания;
    6. сопла;
    7. детали механизмов руля и управления крыльями;
    8. стойки шасси;
    9. топливные оправки.
  • Текстильная промышленность. Элементы ткацких станков подвержены абразивному изнашиванию из-за высоких скоростей и трения. Обрабатываются:
    1. ролики;
    2. оси.
  • Бумажная промышленность и полиграфия. Твердые металлы обеспечивают защиту от волокон целлюлозы и химических чернил. Обработке подлежат:
    1. цилиндры на печатных машинах;
    2. анилоксовые валы;
    3. цилиндры бумагоделательных машин;
    4. подшипники скольжения.
  • Энергетика. Газовые турбины работают при высоких температурах, поэтому их детали подлежат обработке металлизацией.
    1. Детали газовых агрегатов: турбин и компрессоров
    2. детали паровых агрегатов;
    3. детали гидравлических агрегатов;
    4. запорная арматура.
  • Защита поверхностей:
    1. стальных несущих конструкций, работающих в водной (пресной) среде;
    2. стальных несущих конструкций, работающих с морской водой;
    3. морского транспорта;
    4. металлических конструкций от воздействия высоких температур:
    5. дымоходы;
    6. вытяжки на газовых турбинах;
    7. выпускные коллекторы автомобилей;
    8. сопла ракет;
    9. металлоконструкций от коррозии на промышленных площадках:
    10. железнодорожные мосты;
    11. конструкции бассейнов;
    12. контейнеры;
    13. резервуары, хранящие нефтепродукты;
    14. металлоконструкций от химических реакций:
    15. трюмы танкеров;
    16. установки очистки сточных вод.
  • Химическая, нефтеперерабатывающая промышленность, например:
    1. запорная арматура;
    2. уплотнители;
    3. посадочные места машин и агрегатов;
    4. теплообменники;
    5. резервуары.
  • Металлургическая промышленность:
    1. прокатные станы;
    2. кристаллизаторы;
    3. оборудование для прокатки проволоки, в том числе из цветных сплавов.
  • Инструменты:
    1. прессовые штампы;
    2. несущие поверхности;
    3. вторичный двигатель.
  • Тяжелое машиностроение:
    1. платформы;
    2. буры;
    3. краны;
    4. экскаваторы.

Пищевая промышленность.

  • Декоративные изделия:
    1. посуда;
    2. бумага;
    3. ткань.

5 Несколько слов о металлизации печатных плат

Надежность эксплуатации печатных плат напрямую зависит от того, насколько качественно выполнена металлизация сквозных отверстий в них. В ходе процесса в отверстиях осаждается медь. Это, по сути, электрохимическая обработка печатных плат, которая не вызывает особых сложностей у опытных людей.

Метод металлизации сквозных отверстий в печатных платах состоит из двух этапов:

  • сначала происходит активация меди за счет катализирующего воздействия палладия, входящего в состав смеси для обработки печатных плат;
  • затем на центрах активации начинается процесс восстановления меди.

В результате этой двухстадийной операции в отверстиях печатных плат создается сплошное проводящее покрытие. При наличии спецоборудования и некоторых умений несложно выполнить металлизацию отверстий в домашних условиях.

Химическая металлизация в домашних условиях

Металлизация различных деталей – это интересный и довольно творческий процесс. Он позволяет реализовать самые интересные дизайнерские решения. Используя различные химические соединения, можно создать такую лабораторию в домашних условиях.

Последовательность действий выглядит следующим образом:

  1. Предварительная подготовка поверхности (очистка, шлифовка, обезжиривание).
  2. Промывка подготовленного изделия.
  3. Если не вся поверхность будет подвержена металлизации, необходимо тщательно укрыть оставшуюся часть детали.
  4. Разработать систему надежного крепления заготовки к каркасу, который будет опускаться в раствор.
  5. Приготовить раствор в ванной требуемых размеров.
  6. После металлизации заготовку просушивают и при необходимости полируют.

Обработка в домашних условиях не всегда дает сразу ожидаемый эффект. Поэтому после просушки следует аккуратно обработать полученный слой. Для автоматизации процесса можно изготовить простую установку.

Особое внимание следует уделить вопросам безопасности при работе с ядовитыми жидкостями и высоким напряжением. https://www.youtube.com/embed/lvgd-r9uoEc

Ссылка на основную публикацию