Металлопрокат
Металлоконструкции
Обработка металла
При рассмотрении существующих методов диффузионного борирования показано, что результаты зависят не только от температуры процесса, его продолжительности и состава борируемой стали, но и от многих других факторов, отражающих особенности того или иного метода борирования. Существенное влияние оказывает, например, состав и крупность частиц порошков, применяемых при твердофазном борировании, состав и жидкотекучесть ванны при жидкостном и электролитическом борировании, скорость, давление и состав газовой среды при газовом насыщении и многие другие трудно учитываемые факторы. He удивительно поэтому, что наблюдаемые отклонения результатов борирования, по данным различных авторов, оказываются весьма значительными. Из данных табл. 17 видно, что наиболее активно насыщение происходит при газовом и электролитическом борировании. Однако непосредственно на коэффициент диффузии бора выбранный метод насыщения влияния не оказывает. В основном метод насыщения влияет на процессы, предшествующие самому процессу диффузии: скорость образования активных атомов бора, скорость их осаждения на поверхность металла, скорость подвода тепла к насыщаемому изделию. Естественно, чем быстрее протекают указанные подготовительные процессы, тем выше результирующая скорость насыщения, оцениваемая глубиной борированного слоя.
При выборе метода борирования следует руководствоваться не только глубиной борированного слоя, но и другими практически важными данными: технологичностью выбранного метода, удобством осуществления в промышленных условиях, экономической рентабельностью.
Рассмотрим с указанных позиций достоинства и недостатки различных методов борирования.
Электролитическое борирование позволяет получать слой плотным, ни при каких режимах не обнаруживается нарушения сплошности слоя различными раковинами, как это иногда наблюдается при твердофазном борировании. Высокая концентрация бора достигается достаточно быстро. Так, высший борид образуется уже после трехчасового борирования при 950° С, тогда как при жидкостном борировании - лишь при шестичасовой выдержке.
Однако для осуществления процессов в промышленных условиях необходима специальная дорогостоящая энергоемкая установка. Недостатком всех этих установок является быстрый выход из строя дорогих тиглей, у изготовляемых из дефицитных хромоникелевых сталей Х18Н9Т, Х23Н18, Х28, Х18Н25С2. Несмотря на мероприятия, проводимые с целью повышения их долговечности (борирование, катодная защита, интенсивное охлаждение), стойкость тиглей очень низка. В результате длительного борирования и частых остановок печи борированный слой на внутренней поверхности тигля шелушится, наблюдается точечная, а в отдельных случаях ножевидная и межкристаллнтная коррозия 202. Указанный недостаток может быть устранен применением бестигельного борирования, когда тиглем служит полость борируемой детали, однако для этого необходимы однотипные детали определенной формы. При таком методе расходуется много буры, которая уносится на деталях при их выемке и затем растворяется в промывочной горячей воде. Для возраста растворенной буры требуется специальная установка для регенерации.
Нерешенной проблемой электролитического борирования является коробление изделий. Происходит неравномерное отложение бора, чем и вызывается неодинаковое изменение размеров. Вследствие малой рассеивающей способности электролита на стороне, обращенной к аноду, отлагается бора больше, чем на противоположной. При техническом использовании данного метода необходимо заботиться о равномерном распределении плотности тока по всей поверхности детали.
Кроме того, неравномерное распределение температуры в расплаве и невозможность измерения ее с помощью термопары не позволяют борировать сложные несимметричные детали и вызывают большой процент брака (коробление, отлущивание, местное оплавление).
Газовое борирование позволяет вести насыщение при сравнительно низких температурах (800-850° С). Можно насыщать крупные- и сложные по конструкции детали, особенно трубы различных диаметров и размеров. Основной недостаток заключается в трудности осуществления в промышленных условиях: необходима специальная установка, организация хранения ядовитых и взрывоопасных газов (BCl3, B2H6) ,применение которых требует соблюдения серьезных мер предосторожности. Высокая стоимость материалов препятствует широкому внедрению этого метода.
Жидкостное борирование выгодно отличается от электролитического отсутствием плотного электрического контакта между токоподводящими державками и борируемыми изделиями. Слой получается плотным, поверхность чистая, светло-матовая. Данным методом можно обрабатывать детали любой формы. Так как расплавленная бура сильно разъедает стенки металлических, керамических и графитных сосудов, при этом методе наблюдается большой износ тиглей. Малая жидкотекучесть ванны (60% Na2B4O7 и 40% B4C) и быстрая ее истощаемость также препятствуют широкому внедрению метода в производство. Скорость насыщения при указанном методе в два раза меньше, чем при электролитическом борировании. Лимитирующей стадией при данном процессе является образование и подвод активных атомов бора к насыщаемой поверхности, а не диффузия его в металл, как при электролитическом борировании. Однако, варьируя состав ванны, можно несколько увеличить скорость насыщения. Так, борирование в ванне 22% NaCl и 78% BaCl2 с добавкой ферробора менее энергично, чем в ванне с добавкой карбида бора, и еще менее энергично, чем в ванне, состоящей из буры и карбида бора.
Борирование в порошкообразных смесях легко осуществляются в лабораторных и производственных условиях, позволяет проводить насыщение изделий сложной конфигурации. При правильном выборе борсодержащей шихты получают качественные плотные покрытия необходимой глубины за сравнительно короткое время, хотя скорость насыщения в порошкообразных смесях несколько ниже скорости насыщения в жидкой ванне. Нецелесообразно применение дорогостоящих аморфного бора и ферробора, при этом требуются специальные и сложные предохранительные устройства. Процесс протекает довольно длительное время. Конторович и Львовский получили слой на армко-железе глубиной 0,5 мм при 1000° С за 20 ч. Применение водорода и хлористого водорода позволяет за короткое время получить достаточно глубокие слои, но при этом метод усложняется и удорожается, а покрытия часто получаются неравномерными и пористыми.
Лучшие результаты дает применение ферроборалла, материала более дешевого и доступного. Использование в качестве борсодержащей шихты смеси карбида бора с бурой (84% В2С и 16% Na2B4O7) позволяет избежать вышеуказанных недостатков. Покрытие получается равномерным и достаточно плотным. За 8 ч при 1000° С можно получить слой глубиной 0,4-0,5 мм. Результаты хорошо воспроизводимы.
Метод не требует сложного оборудования (нагревательной печи, цементационного ящика), специальных защитных мероприятий; он легко осуществим в производственных условиях.
Как видно из всех рассмотренных методов, диффузионное борирование в твердой фазе является наиболее простым и надежным и может быть рекомендовано для предприятий.