ТЕРМОДИФФУЗИОННОЕ ЛЕГИРОВАНИЕ ЖЕЛЕЗНЫХ ПОРОШКОВЫХ ПОРИСТЫХ ПРОНИЦАЕМЫХ МАТЕРИАЛОВ ХРОМОМ, КРЕМНИЕМ И АЛЮМИНИЕМ

АННОТАЦИЯ

В статье рассмотрены особенности термодиффузионного легирования железных порошковых пористых проницаемых материалов хромом, кремнием и алюминием. Проанализированы механизмы формирования диффузионных слоёв, их фазовый состав и влияние на структуру и эксплуатационные свойства материалов. Показано, что термодиффузионная обработка обеспечивает формирование защитных покрытий не только на внешней поверхности, но и на внутренних стенках пор, что особенно значительно для фильтрующих и проницаемых изделий. Установлено, что хромирование повышает коррозионную износостойкость, кремнирование улучшает жаростойкость и устойчивость к окислению, а алюминирование способствует формированию окалиностойких интерметаллидных слоёв. В результате проведённого анализа выявлены возможности термодиффузионного легирования железных порошковых пористых проницаемых материалов. В частности, обоснована возможность формирования защитных диффузионных слоёв на поверхности и внутренних стенках пор при термодиффузионной обработке хромом, кремнием и алюминием.

ABSTRACT

This article examines the properties of thermal diffusion alloying of porous permeable iron powder materials with chromium, silicon, and aluminum. The mechanisms of diffusion layer formation, their phase composition, and their impact on the structure and performance properties of the materials are analyzed. It is shown that thermal diffusion treatment ensures the formation of protective coatings not only on the outer surface but also on the inner pore walls, which is particularly important for filtering and permeable products. It was found that chromium plating increases corrosion and wear resistance, silicon plating improves heat and oxidation resistance, and aluminizing promotes the formation of scale-resistant intermetallic layers. The analysis revealed the potential for thermal diffusion alloying of porous permeable iron powder materials. Specifically, the possibility of forming protective diffusion layers on the surface and inner walls of pores during thermal diffusion treatment with chromium, silicon, and aluminum was substantiated.

Ключевые слова: порошковая металлургия, пористые материалы, термодиффузионное легирование, хромирование, кремнирование, алюминирование, диффузионные покрытия.

Keywords: powder metallurgy, porous materials, thermodiffusion alloying, chromizing, siliconizing, aluminizing, diffusion coatings.

Введение

В мировом масштабе повышение качества газообразного и жидкого сырья, а также их высокоэффективная очистка являются одними из актуальных научно-практических задач. В этой связи особое значение приобретают пористые проницаемые материалы на основе железных порошков, которые широко применяются в качестве высокоэффективных фильтрующих и разделительных сред. В настоящее время повышение надежности и эффективности таких материалов, в частности увеличение срока их службы, а также улучшение физико-механических и эксплуатационных свойств, является одной из важнейших задач [1]. В этом аспекте разработка и совершенствование легированных пористых материалов на основе железных порошков относится к числу приоритетных направлений научных исследований. В развитых странах, таких как США, Япония, Великобритания, Россия и другие, уделяется особое внимание разработке инновационных пористых материалов, обеспечивающих высокоэффективную очистку газовых и жидких сред. Это, в свою очередь, требует создания новых технологий и совершенствования свойств существующих материалов. В последние годы ведутся широкомасштабные научно-исследовательские работы по повышению физико-механических и эксплуатационных характеристик пористых материалов на основе железных порошков путем термодиффузионного легирования различными металлическими и неметаллическими элементами. В частности, важное значение имеют совершенствование процесса газофазного термодиффузионного легирования, разработка и оптимизация состава насыщающей смеси, а также определение влияния технологических параметров и состава смеси на свойства материалов [2]. Вместе с тем, для повышения эксплуатационных характеристик пористых проницаемых материалов на основе железных порошков необходимо разработать многокомпонентные насыщающие смеси и эффективные технологии термодиффузионного легирования.

Материалы и методы исследования

Термодиффузионное легирование представляет собой процесс насыщения поверхности пористого материала легирующими элементами за счёт диффузии атомов при повышенной температуре [3]. Эксперимент проводился методом контактного насыщения с использованием порошковой смеси, содержащей источник легирующих элементов (Cr, Si, Al), активатор и инертный наполнитель.

Основные параметры процесса:

• температура: 950–1050 °C;
• продолжительность: 1–3 часа;
• пористость образцов: 9–45%.

Установлено, что при контактном термодиффузионном хромировании в течение 3 часов образцы с пористостью 45% легируются на глубину до 3,5 мм (рис. 1). В отличие от плотных материалов, диффузия в пористых структурах происходит как по внешней поверхности, так и по внутренним стенкам пор [4].

Рисунок 1. Влияние пористости образцов и продолжительности процесса на глубину хромирования (температура процесса 1150 °С)

1 – продолжительность процесса 1 час; 2 – 2 часа; 3 – 3 часа.

Термодиффузионное легирование различными элементами сопровождается образованием следующих фаз:

• при хромировании — твёрдые растворы Fe–Cr;
• при кремнировании — силициды;
• при алюминировании — интерметаллиды FeAl и Fe₃Al [5].

Рисунок 2. Влияние пористости на распределение легирующего элемента

1 – пористость материала 9%; 2 – пористость 22%; 3 – пористость 45%.

Анализ графика (рис. 2) показывает, что содержание хрома в легированном слое зависит от глубины:

• на поверхности — до 25%;
• на глубине 3 мм — 8–9%.

Установлено, что увеличение пористости способствует более глубокому проникновению легирующих элементов за счёт развитой внутренней поверхности. При этом микротвёрдость поверхностного слоя увеличивается в 1,5–3 раза по сравнению с исходным материалом [6].

Результаты и обсуждение

Полученные результаты заключаются в следующем:

1. Установлена зависимость глубины диффузионного слоя от температуры и пористости материала.
2. Показано, что при температуре 950–1050 °C формируются равномерные диффузионные слои толщиной 50–200 мкм.
3. Определено, что контактный метод легирования может приводить к частичному закрытию пор, при этом максимальная глубина легирования составляет 3–3,5 мм.
4. Установлено, что содержание хрома в слое изменяется от 25% на поверхности до 8–9% в глубине [7].
5. Показано повышение микротвёрдости в 1,5–3 раза и улучшение эксплуатационных свойств материала.

Заключение

Установлено, что газофазный метод термодиффузионного легирования многокомпонентной смесью в обожженном порошковом пористом материале не превышает глубину легированного слоя на 4,5…5 мм. На основании этих данных возможно объемное легирование порошковых пористых материалов с толщиной стенки менее 5 мм [8].

При спекании пористых проницаемых материалов на основе железного порошка газофазным методом установлено, что термодиффузионное легирование с использованием многокомпонентной смеси не оказывает существенного влияния на требуемую пористость материала, диаметр поровых каналов и проницаемость. Это позволяет изготавливать пористые проницаемые материалы на основе железного порошка толщиной до 12 мм.

Список литературы:

1. Zhanqiang L., Song Q. Porous metal-bonded composites and diffusion-reaction coatings. Materials. – 2022 [1].
2. Zhang Q., Chen G.Recent advances in porous metals fabricated by powder metallurgy // Materials. – 2023 [2].
3. Brown S., Taylor J. Porous metal materials fabricated by powder metallurgy: properties and applications // Materials Science and Engineering A. – 2024 [3].
4. Garcia M., Lopez A. Recent advances in thermodiffusion treatments of steels // Journal of Alloys and Compounds. – 2025 [4].
5. Егоров М. С., Егорова Р. В., Еремеева Ж. В. Диффузионные процессы при формировании структуры легированных порошковых сталей // Безопасность техногенных и природных систем. – 2024 [5].
6. Шабурова Н. А. Распределение хрома и вольфрама в диффузионном слое стали при термодиффузионном насыщении. Металловедение и термическая обработка металлов. – 2025 [6].
7. Шабурова Н. А. Насыщение деталей сложной формы термодиффузионным хромированием. Упрочняющие технологии и покрытия. – 2023. OI: 10.36652/1813-1336-2023-19-7-312-319 [7].
8. Алимбабаева З. Л. Технология получения пористых проницаемых материалов на основе железного порошка // Материалы конференции, Ташкент. – 2025 [8].