Difuzijsko kromiranje čelika – difuzijsko obogaćivanje površina kromom, postupak, svojstva i primjena

Difuzijsko kromiranje je proces termokemijska obrada koji se sastoji u zasićenju površinskog sloja materijala krom Cr na povišenim temperaturama. Za razliku od galvanizacije, ne uključuje nanošenje gotovog kromovog premaza na površinu. Atomi kroma difundiraju u materijal i stvaraju vezu s podlogom. difuzijski sloj s postupno promjenjivim kemijskim sastavom i mikrostrukturom.
Svrha difuzijskog kromiranja je prvenstveno povećanje otpornost na oksidaciju, koroziju na visokim temperaturama, agresivne okoline i – u odgovarajuće odabranim materijalima i uvjetima – otpornost na habanje.
Postupak se uglavnom koristi za čelik i druge legure na matrici Želaza, ali tehnologije difuzijskog površinskog obogaćivanja kromom mogu se koristiti i za druge metalne materijale.

Što je difuzijsko kromiranje?

Tijekom procesa, površina obratka nalazi se u okruženju koje pruža aktivno krom.
Na dovoljno visokoj temperaturi događa se sljedeće:

1. proizvodnja aktivnih oblika kroma u procesnom okruženju,
2. transport kroma na površinu obradak,
3. adsorpcija kroma na površini,
4. difuzija atoma kroma u materijal,
5. stvaranje sloja obogaćenog kromom i – ovisno o sastavu materijala – odgovarajuće faze i spojeve.

Budući da je osnovni mehanizam rasta sloja difuzija, njegova svojstva ovise prvenstveno o temperaturi, vremenu, aktivnosti kroma u okolini i kemijskom sastavu materijala podloge.

Difuzijsko kromiranje i galvanizirano kromiranje

Difuzijsko kromiranje ne treba miješati s klasičnim galvaniziranim postupkom.

Najvažnija razlika je u tome što nakon difuzijskog kromiranja, krom ne samo da tvori zaseban premaz na površini, već postaje kemijska komponenta sloja materijala.

Zašto krom povećava površinski otpor?

krom je jedan od najvažnijih elemenata koji se koriste za povećanje otpornosti čelika na oksidaciju i koroziju.
S dovoljno visokim sadržajem kroma, na površini se može stvoriti gusti sloj kromovog oksida Cr.₂O₃, ograničavajući daljnji transport kisika i komponenti okoliša u materijal.
Ovaj mehanizam je jedan od glavnih razloga za visoku otpornost mnogih na oksidaciju nehrđajući čelik, toplinski otporni čelik i legure s visokim udjelom kroma.
Difuzijsko kromiranje omogućuje postizanje visokog udjela kroma, prvenstveno u površinskom sloju, bez potrebe za proizvodnjom cijelog elementa od visokolegiranog materijala.

Struktura difuzijskog sloja kroma

Struktura sloja uvelike ovisi o sadržaju ugljen u materijalu podloge.
U čelicima s niskim udjelom ugljika može se stvoriti sloj čvrste otopine bogate ugljikom. krom.
U čelicima koji sadrže veće količine ugljika, krom može reagirati s ugljikom i stvarati kromovi karbidi.
Faze koje se javljaju u Fe-Cr-C sustavima uključuju, između ostalog, karbide sljedećih vrsta:

• Cr₂₃C₆,
• Cr₇C₃,
• složeni karbidi koji također sadrže željezo.

Stoga se svojstva sloja nakon difuzijskog kromiranja mogu uvelike razlikovati ovisno o sastavu materijala.

Difuzijsko kromiranje niskougljičnih i visokougljičnih čelika

Zbog toga pojam "difuzijski kromirani sloj" ne označava jednu identičnu mikrostrukturu za sve vrste čelika.

Temperatura difuzijskog kromiranja

Difuzijsko kromiranje zahtijeva relativno visoku temperaturu jer je brzina difuzije krom u materijalu mora biti dovoljna za stvaranje korisnog sloja.
Ovisno o tehnologiji, materijalu i potrebnom sloju, proces se može provoditi u širokom temperaturnom rasponu, često oko 850-1100 ° C.
Točna temperatura mora se odabrati prema:

• vrsta materijala,
• potrebna dubina sloja,
• metode kromiranja,
• vrijeme procesa,
• sastav okruženja za kromiranje,
• potrebna mikrostruktura jezgre,
• unaprijediti toplinska obrada.

Visoka temperatura ubrzava difuziju, ali istovremeno može uzrokovati promjene u strukturi jezgre, rast zrna i deformaciju elementa.

Utjecaj vremena na rast sloja

Difuzijsko kromiranje je proces koji je uvelike kontroliran difuzijom.
S vremenom se povećava i dubina obogaćivanja materijala. kromMeđutim, rast sloja obično nije linearan tijekom vremena.
Za mnoge difuzijske procese, odnos se može približno opisati paraboličkim zakonom:

gdje je:

• x – karakteristična debljina difuzijskog sloja,
• k – faktor koji ovisi, između ostalog, o temperaturi i sastavu materijala,
• t – vrijeme suđenja.

U praksi, kinetika može biti složenija, posebno kada se tijekom procesa formiraju različite karbidne faze.

Metode difuzijskog kromiranja

Krom se može nanijeti na površinu različitim metodama.

Jedna od klasičnih metoda je tehnologija cementacije pakiranjem , u kojoj se obradak stavlja u smjesu praha koja sadrži izvor kroma i aktivator koji omogućuje njegov transport.

Kromiranje metodom cementacije pakiranja

U procesu cementiranja pakiranjem , element je okružen smjesom praha koja sadrži:

• izvor krom,
• aktivator koji omogućuje transport sastojka,
• inertno punilo koje ograničava sinteriranje smjese.

Tijekom zagrijavanja nastaju hlapljivi spojevi koji prenose krom prema površini materijala.
Reakcije se odvijaju na površini, što dovodi do oslobađanja aktivnog kroma, koji zatim difundira u podlogu.
Ovaj proces je primjer kemijski transport u plinovitoj fazi u kombinaciji s difuzijom u čvrstom stanju.

Difuzijsko kromiranje i otpornost na oksidaciju

Jedna od najvažnijih primjena difuzijske prevlake kroma je povećanje otpornosti materijala na oksidaciju na visokim temperaturama.
Područje je bogato krom može formirati zaštitnu ljusku bogatu Cr₂O₃.
Ovaj sloj ograničava brzinu:

• transport kisika do materijala,
• transport metalnih iona prema površini,
• daljnji rast razmjera.

To omogućuje znatno nižu stopu oksidacije nego kod nezaštićenog čelika s niskim udjelom kroma.

Difuzijsko kromiranje i otpornost na koroziju

Površinsko obogaćivanje u krom također može poboljšati otpornost na mnoge korozivne okoline.
Međutim, učinkovitost ovisi o:

• sadržaj kroma u sloju,
• kontinuitet i mikrostruktura sloja,
• prisutnost karbida,
• vrsta okoline,
• radne temperature,
• stanje površine.

Kromiranje se ne smije smatrati univerzalnom zaštitom od svake vrste korozije. Premaz mora biti dizajniran za određeno radno okruženje.

Difuzijsko kromiranje i otpornost na habanje

U čelicima s odgovarajućim sadržajem ugljen Krom može formirati tvrde karbide, pa difuzijsko kromiranje može značajno povećati površinska tvrdoća i otpornost na habanje.
Tvrde karbidne faze Cr tipa su od posebne važnosti₇C₃ i Cr₂₃C₆.
Međutim, tribološka svojstva ovise o cjelokupnoj strukturi sloja, njegovoj debljini, tvrdoći podloge i vrsti mehanizma trošenja koji se javlja.

Utjecaj ugljika na difuzijsku prevlaku kroma

Węgiel je jedna od najvažnijih komponenti koje utječu na strukturu kromovog sloja.
Krom je jak element koji stvara karbide.
Ako je u materijalu dovoljno ugljika, tijekom procesa mogu se formirati kromovi karbidi.
To može povećati tvrdoću i otpornost na abraziju, ali istovremeno ograničiti količinu kroma koji ostaje u čvrstoj otopini.
Stoga sloj, prvenstveno dizajniran za otpornost na koroziju i oksidaciju, može zahtijevati drugačiju strukturu od sloja dizajniranog prvenstveno za otpornost na habanje.

Utjecaj legirajućih elemenata

Difuzijsko kromiranje i nehrđajući i toplinski otporni čelici

Zaštitni mehanizam sloja bogatog kromom sličan je jednom od osnovnih mehanizama koji pružaju otpornost nehrđajući i toplinski otporni čelici.
U čelicima s visokim udjelom kroma odgovarajući sadržaj krom događa se u cijelom volumenu materijala.
Kod difuzijskog kromiranja, visoki sadržaj kroma stvara se prvenstveno na površini.
To omogućuje kombiniranje osnovnih svojstava proizvedenog dijela s kemijskim i visokotemperaturnim svojstvima modificiranog površinskog sloja.
Međutim, to ne znači da kromirani čelik postaje u svakom pogledu ekvivalentan nehrđajućem ili toplinski otpornom čeliku. Sastav i osnovna svojstva ostaju u biti isti kao kod početnog materijala.

Difuzijsko kromiranje i boriranje

Boriranje i difuzijsko kromiranje su procesi difuzijskog zasićenja površine, ali dovode do stvaranja različitih faza i koriste se u različite svrhe.

Difuzijsko kromiranje i nitriranje

W nitriranje površina je obogaćena prvenstveno u dušik, dok je tijekom difuzijskog kromiranja – u krom.
Nitriranje se obično provodi na znatno nižoj temperaturi i posebno je učinkovito u povećanju površinske tvrdoće, otpornosti na habanje i otpornosti na umor.
Difuzijsko kromiranje zahtijeva višu temperaturu, ali omogućuje temeljnu promjenu kemijskog sastava površine u smjeru karakterističnom za materijale s visokim udjelom kroma.

Difuzijsko kromiranje i cementiranje

Tijekom cementacija uvodi se u površinski sloj ugljenNakon kasnije kaljenje To omogućuje dobivanje tvrdog martenzitnog sloja uz održavanje duktilnije jezgre.
S druge strane, difuzijsko kromiranje koristi krom i može dovesti do stvaranja sloja otpornog na oksidaciju, koroziju ili habanje.
U ugljičnim čelicima, krom i ugljik mogu zajedno stvarati vrlo tvrde karbidne faze.

Difuzijsko kromiranje i nitrokarburizacija

Tijekom nitrokarburizacije površina se obogaćuje uglavnom u dušik i dodatno ugljenProces se obično provodi na mnogo nižoj temperaturi nego difuzijsko kromiranje.
Nitrokarburizacija se prvenstveno koristi za poboljšanje triboloških svojstava, otpornosti na zapinjanje i umor te - u odgovarajućim varijantama - otpornosti na koroziju.
Difuzijsko kromiranje je posebno zanimljivo kada su visoki sadržaj kroma na površini i otpornost na oksidaciju i koroziju na visokim temperaturama ključni.

Primjena difuzijskog kromiranja

Postupak se može koristiti za dijelove koji rade u okruženjima gdje je potreban povećani površinski otpor.
Tipične primjene uključuju:

• elementi industrijskih peći,
• dijelovi uređaja koji rade na visokim temperaturama,
• elementi kemijskih instalacija,
• dijelovi ventila i armature,
• elementi izloženi oksidaciji na visokim temperaturama,
• dijelovi koji rade u kemijski agresivnim atmosferama,
• elementi izloženi trošenju ako nastali sloj sadrži tvrde karbidne faze,
• odabrani alati i dijelovi strojeva.

Prednosti difuzijskog kromiranja

• metalurško vezivanje sloja za podlogu,
• nedostatak klasične oštre granice karakteristične za mnoge deponirane premaze,
• povećana otpornost na oksidaciju na visokim temperaturama,
• mogućnost poboljšanja otpornosti na koroziju,
• mogućnost postizanja visoke otpornosti na habanje u slojevima koji sadrže kromove karbide,
• mogućnost kombiniranja jeftinijeg ili trajnijeg jezgrenog materijala s površinom bogatom kromom.

Ograničenja difuzijskog kromiranja

• visoka temperatura procesa,
• relativno dugo vrijeme potrebno za postizanje odgovarajuće dubine difuzije,
• mogućnost promjene mikrostrukture jezgre,
• rizik od rasta zrna,
• mogućnost deformacije elemenata,
• jaka ovisnost strukture sloja o sadržaju ugljen,
• potreba za preciznom kontrolom temperature, vremena i aktivnosti kromirajuće okoline.

Kontrola kvalitete difuzijskog sloja kroma

Evaluacija učinkovitosti procesa može uključivati:

• mjerenje debljine difuzijskog sloja,
• metalografski pregled,
• analiza distribucije sadržaja krom kao funkcija udaljenosti od površine,
• identifikacija faza i karbida,
• mjerenje mikrotvrdoća,
• ispitivanja otpornosti na oksidaciju,
• ispitivanja otpornosti na koroziju,
• ispitivanje otpornosti na habanje, ako je to primarni cilj postupka.

Sama prisutnost kroma na površini nije dovoljan kriterij za pravilno izvođenje procesa. Važni su i profil koncentracije kroma, dubina sloja, njegova mikrostruktura i svojstva koja odgovaraju stvarnim radnim uvjetima komponente.

Kromiranje – usporedba s drugim termokemijskim postupcima obrade

Difuzijsko kromiranje je termokemijski postupak obrade koji se sastoji od difuzijskog obogaćivanja površinskog sloja materijala u krom.
Za razliku od galvanizacije, kromiranje ne stvara samo površinski premaz. Krom difundira u materijal, stvarajući sloj koji je metalurški vezan za podlogu.
Kod niskougljičnih čelika, sloj može biti prvenstveno Fe-Cr otopina bogata kromom, ali s povećanjem dostupnosti ugljen važnost tvrdih kromovih karbida raste.
Zahvaljujući tome, difuzijska kromirana prevlaka može se dizajnirati i za povećanje otpornost na oksidaciju i koroziju na visokim temperaturama, kao i – u odgovarajućim materijalnim aranžmanima – tvrdoća i otpornost na habanje.
Proces zahtijeva relativno visoku temperaturu i odgovarajuće dugo vrijeme, stoga je prilikom projektiranja tehnologije potrebno uzeti u obzir ne samo svojstva sloja, već i moguće promjene u mikrostrukturi i svojstvima jezgre.

Metode toplinske i termokemijske obrade čelika

Kromiranje je samo jedan od procesa koji se koriste za modificiranje mikrostrukture i svojstava čelika. Ovisno o željenom učinku, koriste se i normalizacija, otpuštanje naprezanja, kaljenje, otpuštanje itd., kao i termokemijski procesi poput cementacije, nitriranja i drugih.

Metode toplinske obrade čelika

• Normalizirajući čelik – pročišćavanje zrna i ujedinjavanje mikrostrukture.
• Žarenje za ublažavanje naprezanja – smanjenje zaostalih naprezanja.
• Omekšavanje čelika – smanjenje tvrdoće i poboljšanje podložnosti daljnjoj obradi.
• Potpuno žarenje – austenitizacija i sporo hlađenje.
• Izotermno žarenje – transformacija provedena uz držanje na pravilno odabranoj temperaturi.
• Žarenje kuglica – sferoidizacija – promjena morfologije cementita ili drugih karbida.
• Rekristalizacijsko žarenje – uklanjanje učinaka drobljenja i vraćanje plastičnosti.
• Homogenizirajuće žarenje – smanjenje segregacije i homogenizacija sastava materijala.
• Kaljenje i toplinska obrada – oblikovanje mikrostrukture i svojstava kaljenjem i popuštanjem.
• Kaljenje čelika – kontrolirana modifikacija svojstava čelika nakon kaljenja.
• Indukcijsko kaljenje – površinsko indukcijsko zagrijavanje i brzo hlađenje.
• Kaljenje plamenom – površinsko očvršćavanje nakon lokalnog zagrijavanja plamenom.
• Prezasićenost – dobivanje prezasićene čvrste otopine odgovarajućim termičkim ciklusom.
• Starenje – kontrolirano odvajanje faza što dovodi do ojačavanja materijala.

Metode termokemijske obrade čelika

• Nitriranje čelika – difuzijsko obogaćivanje površinskog sloja dušikom.
• Cementiranje čelika – difuzijsko obogaćivanje površine ugljikom.
• Karbonitriranje – istovremeno obogaćivanje površinskog sloja ugljikom i dušikom.
• Nitrokarburizacija / nitrokarburizacija – obogaćivanje sloja prvenstveno dušikom i ugljikom.
• Bušenje – difuzijsko zasićenje površine borom.
• Difuzijsko kromiranje – difuzijsko obogaćivanje sloja kromom.
• Difuzijsko aluminiziranje – difuzijsko obogaćivanje sloja u aluminiju.