Металлопрокат
Металлоконструкции
Обработка металла
Бор - алюминий. Для одновременного насыщения углеродистых сталей бором и алюминием использовали порошок алюмотермического ферробора (1467% В; 15,2% Al; 2,75% SiO2; 0,8% С) с крупностью частиц 0,5-3 мм. Процесс проводили в газовой фазе, переводя бор и алюминий в их хлориды. Хлористый водород поступал в рабочее пространство печи, проходя через нагретый до температуры 950-1100° С ферробор и реагировал с ним. Для лучшего и равномерного насыщения трубку печи помещали вертикально. Образец помещали в специальном патроне (рис. 59). Оптимальная скорость газового потока составляла 50 см3/мин.
С повышением температуры глубина и твердость бороалитированного слоя увеличивается (табл. 28). Однако распределение микротвердости по глубине на стали У10 иное, чем на стали 40, максимальная твердость на У10 обнаруживается на границе перехода диффузионного слоя в основной металл. Авторы связывают это с образованием в пограничной зоне карбидов бора. Наружная часть слоя состоит из феррита, легированного бором и алюминием.
Испытания на жаростойкость продолжительностью 100 ч при температурах 900 и 1000° С показали, что стойкость бороалитировайных образцов по сравнению с ненасыщенными увеличивается в 40 раз при 900° С и в 45 раз при 1000° С.
При одновременном и последовательном насыщении сталей Ст.З и ШХ15 бором и алюминием лучшую стойкость против окисления показывают слон, Полученные борированием с последующим алитированием (табл. 29). Несколько менее стойкими оказываются слои, образованные при одновременном бороалитировании.
Изучено влияние состава насыщенной смеси, температуры и продолжительности процесса на структуру диффузионного слоя при совместном и последовательном бороалитировании технического железа, сталей 45 и У8А. Борирование проводили в смеси карбида бсра с бурой, алитирование в 50%-ном ферроалюминии с добавкой 3%-ного хлористого аммония. Совместное насыщение осуществлялось в смеси порошков карбида бора, буры, ферроалюминия и хлористого аммония.
При бороалитировании в смесях, содержащих до 10% ферроалюминия, диффузионные слои состоят из иглообразных боридов железа. С повышением содержания ферроалюминия в насыщающей смеси, в диффузионном слое, кроме боридов, образуется твердый раствор алюминия и бора в железе. Толщина алитированной зоны увеличивается с ростом содержания ферроалюминия в смеси. При содержании в смеси более 50 вес.% ферроалюминия покрытие состоит преимущественно из твердых растворов алюминия и бора в железе и незначительного количества боридов, расположенных на границе слоя с основным металлом. С повышением температуры бороали-тирования (выше 1050° С) в зоне твердого раствора появляются включения борида алюминия AlB12 и алюминидов железа Fe2Al5.
Микротвердость алитированной зоны уменьшается по глубине диффузионного слоя и составляет 450-330 кГ/мм2. Боридные фазы имеют высокую микротвердость около 2200-2600 кГ/мм2.
Актирование предварительно борированных образцов сопровождается снижением микротвердости в наружной части боридного слоя в результате замещения бора алюминием. В этой зоне имеются включения с более высокой микротвердостью, подобно наблюдаемым при совместном бороалитировании при температурах выше 1050° С. Под наружной зоной слоя расположены остатки иглообразных боридов железа. Борирование алитированных образцов при температурах выше 1050° С способствует образованию в наружной зоне слоя иглообразных боридов (твердость 2400-2300 кГ/мм2). Боридные фазы с высокой микротвердостью (2600-2500 кГ/мм2) образуются также на границе диффузионного слоя с основным насыщаемым металлом.
Бороалитирование никелевого сплава ЖС6-К в смеси, содержащей до 10% алюминия, вызывает преимущественно борирование. В наружной части слоя образуется фаза Ni2B с микротвердостью 1300 кГ/мм2.
При насыщении в смеси, содержащей 10-20% алюминия, образуются бороалитированные покрытия минимальной (30-40 мк) глубины и низкой микротвердости (450 кГ/мм2). Основными обнаруженными фазами являются NiAl и Ni3B Образование в рабочей смеси борида AlB12, устойчивого при температуре борирования, сопровождается обеднением насыщающей смеси.
В смесях, содержащих 30-70% алюминия, комплексное покрытие имеет значительную глубину (150-400 мк) и микротвердость (1100 кГ/мм2). Преимущественные фазы в этом случае Ni2Al2 и AlB2. В отработанной насыщающей смеси образуется AlB2, борид AlB12 не обнаружен и уменьшения активности не происходит.
Дальнейшее увеличениэ содержания в смеси алюминия ведет к преимущественному алитированию. В поверхности образуется фаза NiAl.
Авторы исследовали электролизное бороалитирование. Ванной для насыщения служила смесь Na2B4O7 и NaAlО2. Максимальное содержание NaAlO2 составляло 70 мол.%, при больших концентрациях система имела неудовлетворительную вязкость (температура плавления NaAlO2 составляет 1550° С).
Диффузионный слой состоит из боридов железа и α-твердого раствора алюминия в железе. Изменение состава ванн позволяет изменять соотношение боридных фаз и α-твердого раствора в слое.
Распределение остаточных напряжений в поверхностном слое стали 45 после бороалитировании в шихте, содержащей 75% ферроалюминия, хорошо воспроизводит изменение фазового состава по глубине диффузионного слоя. Установлено, что в диффузионном слое наблюдаются остаточные напряжения сжатия (-40 кГ/мм2), переходящие в растягивающие на глубине 15 мк. Максимальная величина остаточных растягивающих напряжений обнаружена на глубина 25 мк (+ 32 кГ/мм2). Затем растягивающие напряжения снова переходят в напряжения сжатия. Резкий переход растягивающих напряжений в сжимающие на глубине 100 мк вызван наличием в этой зоне диффузионного слоя боридных фаз с большим удельным объемом. Величина сжимающих напряжений достигает максимума на глубине 180 мк, затем снижается до минимального значения на глубине 480 мк.
Испытание бороалитированных образцов на жаростойкость показало, что наиболее стойкими оказались образцы из технического железа после насыщения в смеси, содержащей 75% ферроалюминия. После испытания при температуре 1050° С в течение 40 ч они имели привес 0,054 г/см2. Привес алитированных образцов при тех же условиях равен 0,039 г/см2. Жаростойкость борированных образцов неудовлетворительная, при температуре 850° С в течение 14 ч привес составил 0,12 г/см .
Исследование коррозионной стойкости бороалитированной стали показало хорошую стойкость бороалюминиевых покрытий в 10%-ном растворе едкого натра. Менее устойчивыми оказались алюмоборидные покрытия. В растворе 10%-ной соляной кислоты более устойчивые алюмоборидные образцы.
Бор - кремний. Насыщение стальных образцов бором и кремнием осуществляли электролизом расплава Na2B4O7 и Na2SiO3. Процессу вели при 1040° С в течение 30 мин плотность тока 0,7 а/см2. При соотношении в расплаве В:Si>0,86 происходит преимущественно борирование. Слой состоит из FeB и Fe2B. При увеличении содержания кремния (В:Si=0,5-0,80 наблюдается одновременное насыщение бором и кремнием. Отмечается, что кремний при этом замешает бор в боридах железа, а бор - кремний в силицидах железа. Высокую взаимную растворимость металлоидов объясняют близостью свободных энергий образования боридов и силицидов. Дальнейшее увеличение кремния в расплаве (Bi Si<0,4) вызывает преимущественно силицирование, в слое присутствуют FeSi и FeSi2.
Увеличение длительности процесса электролиза изменяет соотношение фаз в диффузионном слое в пользу боридных. Измерения микротвердости показали, что борид Fe2B в борсилицированном слое имеет несколько большую микротвердость, чем в борированном. Предположение о том, что он при борсилицировании легируется кремнием, подтверждено данными спектрального анализа. Введение в сталь элементов, сужающих. γ-область железа, способствует изменению соотношения фаз в слое в сторону увеличения количества кремнистого феррита и уменьшения количества боридзых фаз. Общая глубина слоя при этом снижается. На никелевых сталях общая глубина слоя практически не изменяется, однако соотношение фаз изменяется в сторону увеличения количества боридов.
Борсилицирование в порошкообразной смеси, состоящей из карбида бора (84%) и буры (16%), к которым добавлялась смесь кристаллического кремния (95%) и хлористого аммония (5%), исследовалось в работе.
По мере увеличения процентного содержания кремния в насыщающей шихте глубина слоя уменьшается (табл. 30). Покрытие на армко-железе при насыщении в смесях 2-3 состоит из иглообразных боридов, ориентированных перпендикулярно к поверхности и сливающихся в наружной части изделия в сплошной слой. На сталях 45 и У8А боридные иглы более широкие и притупленные, кроме игольчатых боридов образуются боридные фазы и по границам зерен.
При содержании в реакционной смеси 25% Si и больше диффузионный слой состоит из боридов, силицидов железа и твердого раствора бора и кремния в α-железе. Методом рентгеноструктурного анализа установлено, что в состав покрытия входят FеВ, Fe2B, FeSi и FeSi2. Твердость боридов несколько выше (1900-2300 кГ/мм2) чем при обычном борировании. Увеличение твердости боридов при борсилицировании связывается с легированием боридов железа кремнием. Твердость боридов на армко-железе несколько меньшая, чем на сталях. Твердость силицидных фаз составляет 670-360 кГ/мм2.
Бориды имеют неправильную округленную форму и расположены отдельно друг от друга. Эта особенность проявляется тем резче, чем больше содержания кремния в реакционной смеси. На некоторой глубине диффузионного слоя наблюдается зона сплошных и ориентированных боридов, внедряющихся в основной металл. Такое строение диффузионного слоя при совместном борсилицировании авторы объясняют тем, что образование боридов характерно преимущественно в начальном периоде насыщения. Присутствие кремния в реакционной смеси одновременно с замещением атомов бора в боридах кремнием замедляет рост боридной фазы. Повышение концентрации кремния в поверхностном слое и способствует отрыву боридов подслоя от наружной части покрытия.
При диффузии бора и кремния в сталь наблюдается оттеснение углерода основного металла к сердцевине изделия. На стали 45 под борсилицидным слоем происходит обогащена углеродом зова.
Последовательное борсилицирование железа и стали осуществлялось складированием борированных образцов. Борсилицидные покрытия при последовательном методе их получения состоят из боридного и силицидного слоев. Силицидный слой, нанесенный на предварительно борированную поверхность, имеет незначительную пористость. Пористым оказывается и борированный слой, нанесенный на силицированную поверхность. Жаростойкость силицидоборидныx слоев меньше, чем борированных.
Низкой оказалась в коррозионная стойкость борсилицидных покрытий в 10%-ном растворе соли. За 14782 ч образцы теряют 7% веса. Хорошую стойкость борсилицидные покрытия показывают в растворе едкого натрия. Заметное повышение коррозионной стойкости борсилицированной стали наблюдается в 10%-ных растворах серной и фосфорной кислот.
Так же, как и борирование, борсилицирование незначительно (на 15%) повышает предел усталостной прочности стали в воздухе, в коррозионной среде эффект повышения условного предела коррозионно-усталостной прочности борсилицированной стали возрастает на 80%.
Бор - азот. Насыщению азотомподвергали предварительно борированные образцы. Борирование осуществляли смесью 49% ферробора, 49% алюминия и 2% хлористого аммония в течение 4 ч при 1050-1080 °С. Глубина слоя при этом составляла 0,27-0,3 мм, твердость 380-400. Принятая технология борирования обеспечивала одновременное насыщение поверхности бором и алюминием. Структура слоя не имела игольчатого строения и представляла собой феррит, легированный бором и алюминием. После низкотемпературного азотирования (510 °С, 24 ч) глубина азотированного слоя составляла 0,33 мм, твердость 2500-2800, что значительно выше твердости азотированного слоя на алитированной стали (рис. 60). Структуру азотированного слоя образуют слегка вытянутые, округленные зерна характерных для азотирования ε- и γ-фаз. После высокотемпературного азотирования (850 °С, 5 ч) глубина слоя на борированных образцах составляет 0,3 мм, твердость 950-1000. Образцы имеют поверхность, характерную для сталей, азотированных при 500° С. Микроструктура слоя представляет собой зерна, вытянутые от периферии к центру; нитридных игл не обнаружено.
Испытание подобных комбинированных покрытий в гидроабразивной среде показало значительное повышение износостойкости, последняя определяется не столько твердостью покрытия, сколько его структурой и условиями износа.
Одновременное насыщение бором и азотом осуществлялось в газовых смесях BCl3+H2 и ВCl3+NH3. Во втором случае азот вообще не участвует в реакционной диффузии, так как химическое сродство его к насыщаемому металлу в условиях опыта меньше, чем у бора. При отсутствии водорода в борирующей газовой среде треххлористый бор не восстанавливается и металл не борируется. В этих условиях наблюдается только диффузия азота с образованием нитридных фаз.
