Металлопрокат
Металлоконструкции
Обработка металла
Борируемую деталь погружают в жидкую насыщающую среду, которая не только является носителем активного бора, но и обеспечивает его образование в процессе насыщения, и выдерживают некоторое время при определенной температуре. В качестве борирующей ванны используют расплавы хлористых солей (50% BaCl2 + 50% NaCl) с добавкой в качестве борсодержащего агента 10% карбида бора и 20% ферробора. Борирование в хлористых солях проводят при 950-1050° С. При добавлении в ванну карбида бора (борирование при 950° С в течение 3 ч) на стали 10 образуется диффузионный слой 300 мк, на стали 45-200 мк и на стали У10 - 110 мк. При добавлении в ванну ферробора, вследствие невысокого содержания в нем бора (13-15%), образуется диффузионный слой той же глубины, но менее насыщенный бором. Согласно, наибольшая скорость борирования получается в ваннах: 22% NaCl и 78% BaCl2 с введением 20% ферробора и 10% В4С. Присутствие ферробора вызывает образование хлористого соединения бора B2Cl6, которое неустойчиво и переходит в BCl3. Атомарный бор выделяется в результате взаимодействия с железом
2BCl + 4Fe = 2Fe2B + ЗСl2.
Иногда для ускорения процесса в солевой расплав добавляют некоторое Количество фторобората натрия (NаBF4). Переносчиком бора в данной случае манжет быть образующийся при разложении NаBF4 трехфтористый бор BF3. Однако BF3 - термически довольно устойчивое, каталитически активное соединение и его действие представляется только как активатора. Поэтому в состав такой ванны должен входить карбид бора или ферробор. Оптимальным является расплав следующего состава: 80% NaCl , 15% NaBF4 и 5% B4C . При обработке малоуглеродистой стали в такой ванне можно получить слой глубиной 200 мк в течение 5 ч при температуре 950° С.
В последнее время наибольшее распространение получили ванны, содержащие расплавленные бораты (особенно Na2B4O7 ). При температуре борирования наблюдается термическое разложение боратов с образованием окислов бора и их частичное восстановление натрием до атомарного бора. Для интенсифицирования процесса в расплав предложено добавлять элементарный бор до 5 вес;%. Вместо бора в ванну вводят металл с более высокой свободной энергией образования окисла, чем у бора (например, Ca, Be, Ce, Li, Mg, Al, Ti), что обеспечивает его восстановление из боратов. Количество вводимого металла на 100 г содержимого ванны должно быть равно или больше 0,2 г-экв (предпочтительно 0,2-3,2 г-экв, например, 2,5-40 г Mg на 100 г расплава).
Наиболее успешным оказался метод, предложенный авторами. Для получения больших количеств насыщающего вещества в активном состоянии предложено использовать жидкую ванну, состоящую из карбида этого вещества МеxС и окисла MeyО. При нагревании такой ванны возможна реакция
MexC + МeуО = (х + у) Me + CO.
Активный элемент образуется в результате восстановления окисла и окисления карбида. Составляющими компонентами ванны для борирования выбраны бура и карбид бора. Наилучшие результаты получаются в ваннах, содержащих 40% B4C и 60% Na2B4O7. Измельченную обезвоженную буру смешивают с карбидом бора (3:2), затем смесь сплавляют при температуре 1100° С, после затвердевания еще раз измельчают и плавят. Добавка нейтральных солей NaCl и BaCl2, улучшающих жидкотекучесть расплава, резко снижает насыщающую способность ванны. Борированные образцы отмывают от налипшего расплава последующим кипячением в воде.
Наиболее интенсивно процесс борирования протекает в начальный период; затем скорость насыщения несколько уменьшается и, наконец, после 8-10 ч устанавливается диффузионный поток, характеризуемый почти прямолинейным участком кривых (рис. 13). Зависимость глубины диффузионного слоя от температуры имеет экспоненциальный характер. Микротвердость диффузионнога слоя сильно зависит от химического состава борируемой стали. Так, на техническом железе (0,06% С) микротвердость составляет 1550-1600 кГ/мм2. Согласно при борировании железа, никеля и кобальта в расплаве буры и карбида бора образуются только низшие бориды Fe2B и Co2В. По данным, при борировании стали 100 CrC (1% С и 1,25% Cr) в расплаве карбид бора - бура в наружной части слоя образуется более твердый борид FeВ с микротвердостью 2000-2700 кГ/мм2. На границах фаз в слое твердость резко меняется (рис. 14).
При борировании сложнолегированных сталей толщина покрытия снижается (40 мк), твердость довольно значительна, слой очень хрупок (табл. 11). Вокруг отпечатков от алмазного конуса при нагрузке 150 Г наблюдаются многочисленные лучевые трещины.
С целью удешевления процесса борирования авторы предложили заменить дорогостоящий карбид бора карбидом кремния. Атомарный бор образуется по следующей реакции:
2SiC + Na2B4O7 → Na2Si2O5 + 2CO + 4B.
Продуктами реакции, кроме бора, являются окись углерода, сгорающая до CD2 в момент выделения из ванны, и один из видов силикатных стекол - бисиликат натрия. Опыт показал, что в ванне типа SiC + бура действительно происходит борирование стали.
Исследование влияния карбида кремния на глубину борированного слоя показало, что оптимальным является состав 35% SiC + 65% Na2B4O7. Меньшее содержание SiC приводит к недостатку восстановителя, разлагающего буру до элементарного бора, а большее -к замедлению борирования из-за загустевания ванны.
В качестве интенсифицирующих добавок к ванне можно добавлять в количестве до 5% веса ванны либо замену 1/4 введенного в ванну карбида кремния на карбид бора.
Качество борированного слоя повышается, слой получается однофазный с меньшей склонностью к скалыванию и растрескиванию.
Для большей интенсификации пронесся борирования в расплаве целесообразно применение ультразвуковых колебаний. В результате перемешивания расплава ультразвуком к поверхности металла подаются порции свежей смеси. Ультразвуковые колебания действуют при этом как средство очистки поверхности от механических, химических и других загрязнений. В определенных условиях они "разрыхляют" кристаллическую решетку; все это способствует проникновению атомов диффундирующего элемента в глубь металла. Кроме того, в расплавленной смеси как и в любой жидкости под действием ультразвуковых колебаний возникают явления кавитации - на поверхности металла появляются кавитационные пузырьки газа. Процесс сокращения кавитационного пузыря на границе жидкость-металл происходит с большой скоростью и сопровождается своего рода гидравлическим ударом. В момент сокращения пузырьков к местам из разрыва с высокой скоростью устремляется поток активной смеси. Таким образом, в результате кавитации процесс диффузии на поверхности происходит как бы под давлением.
Ультразвуковые колебания передаются образцу от магнито-стрикционного вибратора через концентратор. Мощность генератора составляет 3 квт, частота 20-25 кгц. Глубина борированного слоя в 2-2,5 раза превышает глубину, полученную за то же время без применения ультразвука (рис. 15). С увеличением продолжительности борирования возрастает и микротвердость борированного слоя, причем более интенсивно, чем при обработке без использования ультразвуковых колебаний. За 15 мин поверхностный слой при ультразвуковом борировании достигает твердости 1800 кГ /мм2, а при обычном борировании такой твердости можно достичь лишь за 30 мин.
С повышением температуры борирования возрастает глубина слоя. При увеличении температуры от 900 до 1050° С глубина возрастает в три раза. Изменение температуры в том же интервале при насыщении без ультразвуковых колебаний вызывает увеличение глубины слоя только в два раза. Таким образом, ультразвуковые колебания позволяют получать слой большей глубины при более низкой температуре. При использовании нагрева током высокой частоты применение ультразвуковых колебаний менее эффективно, что является следствием сравнительно меньшего объема расплавленной горячей смеси. Температуру, необходимую для протекания процесса диффузии, достигает лишь слой смеси, непосредственно прилегающий к образцу. По мере удаления от образца температура последующих слоев смеси уменьшается. При нагревании в печи даже небольшой объем смеси в тигле имеет одинаковую температуру в любом слое, т.е. в каждый данный момент в объеме находится больше атомарного бора, способного диффундировать в поверхность металла.