Металлопрокат
Металлоконструкции
Обработка металла
Высокая стойкость боридных фаз в различных агрессивных средах позволяет использовать их в качестве защитных покрытий. Подобные покрытия значительно повышает коррозионную стойкость, а иногда полностью защищают деталь от разрушения. Исследование показало, что химическая стойкость боридов переходных металлов увеличивается с усложнением структурных элементов из атомов бора. Высокая коррозионная стойкость боридных покрытий отмечается и в ранних работах по борированию стали. В смеси соляной и азотной кислот основной. металл полностью растворялся при сохранении поверхности. Полная устойчивость слоя наблюдалась и в 25%-ном растворе горячей серной кислоты.
Для того чтобы боридный слой обладал защитными свойствами, он должен быть сплошным, однородным, хороша связанным с металлом основы и иметь с ним примерно одинаковый коэффициент расширения. Способность борированного слоя защищать основной металл от коррозии приближенно может быть оценена так называемым объемным отношением, показывающим, насколько удельный объем образующегося при борировании слоя больше или меньше удельного объема металла:
α = M*d/m*D,
где M - молекулярный вес борида, m - млекулярный вес металла основы, D и d- соответственно плотности борированного слоя и металла. При α≤1 образующийся слой будет иметь меньший объем, чем металл, и будет им растягиваться, что способствует появлению трещин и интенсивной коррозии. Сплошной защитный слой образуется при α≥1 (молекулярный вес покрытия несколько больше атомного веса металла). При больших значениях α - слой обладает значительным внутренним напряжением, растрескивается и теряет защитные свойства. Наилучшими защитными свойствами характеризуются слои, для которых α незначительно превышает 1. Значение для FeB составляет 1,39, а для Fe2B - 1,17.
Защитные свойства борированного слоя в значительной степени определяются методом и режимом насыщения. Так, после борирования в порошке бора диффузионный слой не защищает железо и сталь от коррозии в 10%-ном растворе соляной и серной кислот. Вследствие пористости основной металл сильно разрушается, тогда как поверхностный слой сохраняется.
Коррозионная стойкость образцов, борированных в ферроборалле, в два-три раза выше по сравнению с образцами, насыщенными в никель-боре, и шесть - восемь раз выше, чем ненасыщенных.
Результаты исследования коррозионной стойкости стали 45 до и после диффузионного борирования в 10%-ных водных растворах поваренной соли, едкого натра, соляной, серной, азотной и фосфорной кислот приведены в табл. 24. При визуальных наблюдениях качественную оценку коррозионной стойкости покрытий по появлению глубоких уоррозионных повреждений — образованию трещин, свищей и отставанию диффузионного слоя от основного металла. Для более полного изучения процесса коррозии исследовали находящиеся в растворе продукты коррозии.
В растворе поваренной соли борированные образцы значительно слабее корродируют, чем исходные. Образцы без покрытия разъедаются весьма интенсивно. Значительные коррозионные повреждения наступают уже через 200 ч, а через 6500 ч образцы теряют в весе более 19%. В растворе едкого натрия начало заметных коррозионных поражений наблюдается через 180 ч, в то время как боридные покрытия начинают разрушаться через 10800 ч.
В растворе соляной кислоты начало коррозионных повреждений ненасыщенных образцов наступает через 4 ч, тогда как после борирования — через 8 ч. Глубокие коррозионные повреждения констатируют через 300 ч, а после борирования - через 618 ч. Борирование высокохромистых аустенитных сталей Х23Н18, ХН70Ю также способствует повышению их коррозионной стойкости в соляной кислоте и в парах HCl при 85° С. 3 растворах серной,азотной и фосфорной кислот борированные покрытия показывают незначительное увеличение коррозионной стойкости,причем в раствор переходит преимущественно железо.
По нашим данным, данным наиболее интенсивно борированные образцы растворяются в азотной кислоте, меньше -в соляной и серной (рис. 53). Зависимость показателя коррозии от режима насыщения показана на рис. 54. Из приведенных графиков видно, что чем больше глубина сплошного слоя боридов и чем они плотнее, тем лучше сопротивляется борированная сталь коррозии.
Борирование незначительно повышает предел усталостной прочности стали в воздухе (на 10-15%), причем эффект упрочнения несколько меньше на стали С меньшим содержаниям углерода. В коррозионной среде эффект увеличивается, условный предел коррозионно-усталостной прочности резко возрастает в 1,8-2 раза.
Исследование стали 38ХС, подвергнутой электролизному борированию, показало, что последнее не только повышает, но зачастую снижает усталостную прочность. Борирование с последующим охлаждением на воздухе понижает предел усталости стали до 30 кГ/мм2, что на 25% меньше, чем у неборированных нормализованных образцов. Высокий отпуск (580° C, 3 ч) после борирования выравнивает структуру, повышает усталостную прочность до значения, наблюдаемого у неборированной нормализованной стали в исходном состоянии.
Усталостные испытания борированных образцов, изотермически закаленных на твердость 477-388 кГ/мм2 с промежуточным высоким отпуском и без него, показали, что борирование стали 30ХС с последующей изотермической закалкой, независимо от наличия отпуска перед закалкой, уменьшает предел усталости до 20-30 кГ/мм2.
Авторы связывают снижение усталостной прочности с пониженной хрупкой прочностью борированного слоя и с характером распределения внутренних напряжений. Хрупкая прочность борированного слоя стали 38ХС, определяемая испытанием на изгиб плоских образцов толщиною 0,5 мм борированных по всему сечению, оказывается равной 80 кГ/мм2.
Исследование распределения внутренних напряжений показало что после борирования и охлаждения на воздухе в пределах слоя боридов возникают напряжения сжатия, которые у самой поверхности составляют 30 кГ/мм2, а на расстоянии 0,05 мм снижаются до 10 кГ/мм. Сжимающие на наряжения в борированном слое уравновешиваются высокими растягивающими напряжениями (50 кГ/мм2), которые локализуются в тонком (0,1 мм) слое, расположенном непосредственно под борированным слоем. Изотермическая закалка борированных образцов вызывает возникновение растягивающих напряжений как в борированном слое, так и непосредственно под ним.
Наличие высоких растягивающих напряжений под борированным слоем в охлажденных на воздухе образцах с низкой хрупкой прочностью борированного слоя и обусловливает понижение усталостной прочности после борирования. Отпуск после борирования перед изотермической закалкой не оказывает влияния на усталостную прочность борированной стали, так как характер эпюры внутренних напряжений определяется последующей закалкой.
Кроме коррозионной стойкости, борирование оказывает положительное влияние на жаростойкость. В табл. 25 приведены результаты испытания на жаростойкость в воздушной среде при 850 и 950° С.
Повышена стойкость борированной стали и по отношении к некоторым расплавленным металлам. На Ленинградском карбюраторном заводе создана установка для газового борирования в среде диборана и водорода внутренних поверхностей различных трубопроводов, а также наружных поверхностей вставок и плит пресс-форм для литья под давлением. Борированный слой хорошо защищает сталь от разрушения расплавом цинка. Удалось осуществить подачу расплава цинка по трубопроводам с борированной внутренней поверхностью.