Химико-термическая обработка (ХТО) и её применение в промышленности
Химико-термическая обработка (ХТО) представляет собой технологический процесс, в ходе которого металлические изделия подвергаются нагреву до высоких температур и выдерживаются в специально подобранной среде. Это приводит к изменению химического состава, структуры и механических свойств материала. ХТО включает три последовательных этапа: генерацию атомов целевого элемента, их адсорбцию на поверхности металла и диффузию вглубь материала. В процессе нагрева возможно незначительное изменение геометрических размеров изделия.
За рубежом технология ХТО в газовой среде известна как химическое осаждение покрытий из газовой (паровой) фазы (CVD). В рамках этого метода происходит обмен элементами между металлом и газовой фазой, что приводит к формированию поверхностного покрытия.
Силицирование как разновидность ХТО
Одной из специфических разновидностей химико-термической обработки является силицирование, представляющее собой процесс насыщения поверхности металла кремнием. Основная цель данной технологии заключается в повышении коррозионной стойкости, жаростойкости и износостойкости материала, а также в создании защитных покрытий на тугоплавких металлических сплавах. Силицирование эффективно предотвращает коррозионные процессы в морской воде и агрессивных кислотных средах.
При газовом силицировании металлические изделия подвергаются нагреву до температур выше 800 °C. Для снижения требуемой температуры процесса используется плазменная активация, которая интенсифицирует взаимодействие кремнийсодержащих газов с поверхностью металла.
Применение технологии CVD для получения кремниевых покрытий
Технология CVD с использованием кремнийсодержащих газов широко применяется за рубежом для создания высококачественных кремниевых покрытий. В России данная методика была впервые предложена в 1960-х годах, а её активное развитие началось с 1987 года благодаря усилиям компании Restek (США).
Получаемые покрытия представляют собой многослойные структуры, состоящие из аморфного кремния с включениями углеводородных соединений. Эти покрытия обладают высокой прочностью и используются для детекции агрессивных веществ, таких как соединения серы, ртути и аммиака. Технология CVD позволяет наносить покрытия на сложные геометрические формы, включая узкие каналы и полости.
В 2009 году компания Restek передала лицензию на данную технологию компании SilcoTek (США), которая стала единственным производителем подобных покрытий на международном рынке. Покрытия SilcoTek могут быть нанесены на различные материалы, включая сталь, керамику и тугоплавкие металлы. Они обладают прозрачностью, толщиной менее 2 мкм и характерным радужным цветом, обусловленным дифракцией света.
Характеристики покрытий компании SilcoTek
& Наименование покрытия & Состав покрытия & Температурный диапазон эксплуатации, °C & Угол смачивания, ° & Толщина покрытия, мкм & Коэффициент трения & Коэффициент износостойкости, $10^{-13}$ м³Н⁻¹м⁻¹ & Уровень pH среды & & ---------------------- & ------------------ & ------------------------------------------ & --------------------- & ----------------------- & -------------------- & ------------------------------------------------ & ------------------ & & SilcoNert® (супер-инертное) & Кремний & от –210 до +450 & 80 & 0,1-0,5 & 0,7 & 140-8 & 30-8 & & DurSan® & Кремний, кислород, углерод & от –210 до +450 & 104 & 0,4-1,6 & 0,35 & 86,1 & 30-14 & & Silcolloy® & Кремний & от –210 до +1140 & 54 & 0,18-0,8 & 0,7 & 140-8 & 30-8 & & SilcoKleanTM & Кремний & от –210 до +1100 & 80 & 0,1-0,5 & 0,7 & 140-8 & 30-8 & & SilcoGuard® & Кремний & от –210 до +1400 & 80 & 0,18-0,6 & 0,7 & 140-8 & 30-8 & & DurSoxTM & Кремний, кислород, углерод (до 2%) & от –210 до +1400 & 40 & 0,4-1,6 & 0,37 & 86,1 & 30-14 &
Плазменное силицирование и покрытие SilcoPateks
В России технология нанесения кремниевых покрытий с использованием плазмы известна как плазменное силицирование. Компания «Плазмацентр» разработала инновационное многослойное покрытие SilcoPateks, состоящее из аморфного кремния и верхнего слоя оксикарбонитрида кремния.
Покрытие SilcoPateks обеспечивает защиту от коррозии, предотвращает образование нагара и шламовых отложений, а также находит широкое применение в нефтяной и газовой промышленности для контроля качества газовых сред. Оно сохраняет химический состав анализируемых газов и не влияет на результаты лабораторных исследований.
Основные характеристики покрытия SilcoPateks
& Характеристика & Покрытие SilcoPateks & Покрытия компании SilcoTek & & ---------------- & ---------------------- & ------------------------------- & & Метод нанесения & Химическое осаждение из паровой фазы с плазменным ассистированием (PACVD) & Химическое осаждение из паровой фазы (CVD) & & Температура изделий в процессе нанесения, °C & Менее 200 & Более 400 & & Используемые материалы & Аргон, азот, кремний & Углеродосодержащие органические и неорганические жидкости, силан, этилен, кислород & & Материал покрытия & Многослойный гидрогенизированный аморфный кремний с верхним покрытием из оксикарбонитрида кремния & Многослойный гидрогенизированный аморфный кремний с верхним покрытием из оксикарбида кремния & & Толщина покрытия, мкм & До 2 & 0,1-0,5 & & Количество монослоев & От 50 до 250 & До 10 & & Коэффициент трения & 0,1 & 0,36 & & Коэффициент износостойкости, $10^{-13}$ м³Н⁻¹м⁻¹ & 4,66 & 6,13 &
Покрытие SilcoPateks эффективно защищает от воздействия агрессивных веществ, таких как сера, ртуть, аммиак и кислоты, а также предотвращает образование углеродистых отложений. Оно широко используется в авиационной, космической и нефтехимической отраслях промышленности.
