Література. 1. Хансен М., Андерко К

1. Хансен М., Андерко К. Структуры двойных сплавов. Справочник. Пер. с англ. П.К.Новика й др. Под ред. И.И.Новикова и И.Л. Рогельберга. Т. 1 - 2. М.: Металлургиздат, 1962.

2. Ляхович Л.С., Панич Г.Г., Ворошнин Л.Г., Щербаков Э.Д. В сб. “Термическая и термомеханическая обработка стали и сплавов.” Минск, Наука и техника, 1968.- с..

3. Химико-термическая обработка металлов и сплавов: Справоч­ник // Г.В.Борисенок, Л.А. Васильев, Л.Г.Ворошнин и др.// Под ред. Л.С.Ляховича. – М.: Металлургия,1981.-424 с.

1.5. Борування

1.5.1. Діаграма стану Fe – B

Діаграма стану системи побудована для двох поліморфних модифікацій боридів Fe. У системі виявлено існування фаз Fе₂В і FeB. На основі значень, взятих із літературних джерел, О.Кубашевский розробив нову бінарну діаграму стану Fe - В (рис.1.23). Зроблена спроба математичного опису системи, проте з теоретичних результатів неясно проходження лінії ліквідус, тому що продовження стабільної лінії монотектоїдної температури повинно досягати не більше 2100 °С.

Відповідно до діаграми стану Fe - В при масовій концентрації бору 3.8 % борид FеB утворює з феритом евтектику з температурою плавлення 1174 °С. Евтектична реакція відбувається при 1149 °С. Борид FeB утворюється при концентрації бору 8.84 % і має тетрагональну просторово-центровану кристалічну структуру з параметрами а = 50.99 нм, b = 42.40 нм і відношенням b/а = 0.832. Ці параметри дещо відрізняються від приведених вище: а = 51.09 нм, b = 42.49 нм, b/a = 8.317 нм [1 ].

Температура плавлення бориду FeB становить 1662 °С. Структура доевтектичного сплаву утворюється при масовій концентрації менше 3.8 % і характеризується підвищеним вмістом фериту. Відпо­відно при концентрації бору 3.8-8.84 % структура заевтектичного сплаву характеризується підвищеним вмістом бориду FeB.

Одним з найбільш ефективних способів підвищення довговічності деталей машини (а відповідно і самих машин) є їх поверхневе зміц­нення. Поверхнева обробка збільшує зносостійкість, втомну міцність, опір деталі корозійному руйнуванню і, відповідно, довговічність машин і механізмів у цілому.

Рис.1.23. Діаграма стану Fe – B

У даний час в машинобудуванні досить широко застосовують різні методи поверхневого зміцнення деталей. До цих методів в першу чергу слід віднести поверхневу термічну обробку, механічне зміцнення (наклеп), електроіскрове легування, наплавлення і різні види хіміко-термічної обробки. Добре досліджені і вивчені традиційні методи хіміко-термічної обробки, як цементація, азотування, ціанування, борування тощо.

Борований шар відрізняється високою твердістю і зносостійкістю. Навряд чи якийсь інший спосіб поверхневого зміцнення може конкурувати з боруванням.

1.5.2. Класифікація методів і способів борування

Борування – насичення поверхневих шарів металів і сплавів бором. Проводять переважно з метою підвищення їх поверхневої твердості і зносостійкості, а також корозійної стійкості [2].

Класифікація існуючих методів і способів борування приведена на рис.1.24.

Найбільш перспективні для промислового використання наступ­ні методи і способи борування:

а) в порошкоподібних сумішах з використанням герметичних контейнерів;

б) в розплавах солей і оксидів (електролізне і безелектролізне);

в) газове;

г) із паст (обмазок).

1. 5. 3. Технологія борування

Перед боруванням поверхню виробів очищають від окалини, ржі та інших забруднень. Незначні забруднення видаляють ганчіркою, змоченою в розчиннику (бензині, керосині, уайт-спіріті тощо). Для видалення окалини, ржавчини застосовують хімічні, електрохі­мічні і механічні методи. Гострі неробочі кути виробів перед боруванням бажано притупити (скруглити). Ділянки, які не піддають боруванню, необхідно захистити від насичення (покривають гальва­ніч­ною міддю, хромом або наносять спеціальні обмазки).

Механічну обробку виробів, які підлягають боруванню, необхідно проводити з врахуванням збільшення їх розмірів у процесі насичення (0.1 мм).

Рис.1.24. Існуючі методи і способи борування

1.5.3.1. Борування в порошкових сумішах

При боруванні в порошкових сумішах віддають перевагу герметичним контейнерам. В цьому випадку швидкість формування шару вища, а збіднення суміші менше. В даний час серед відомих сумішей для твердого борування найбільш поширені порошкові суміші на основі технічного карбіду бору та металотермічні суміші. Перші більш технологічні, другі значно дешевші при цій же насичуючій здатності.

Перед використанням всі компоненти порошкових насичуючих середовищ просушують і подрібнюють, а карбід бору додатково прогартовують при 300 – 500°С протягом 1-5 годин.

Герметизацію контейнерів здійснюють борним ангідридом, силікатною глибою, подрібненою окалиною та ін., які в процесі нагріву контейнера утворюють плавкий затвор. Цікавий спосіб герметизації контейнерів без застосування плавких затворів. Вироби, упаковані в контейнері, засипають шаром суміші 2-3 мм, а потім шаром карбіду кремнію SiC товщиною 10-30 мм. Щоб порошки не змішувались, між ними кладуть тонкий лист заліза (сталі). Карбід кремнію використовують багатократно. Це значно спрощує технологію борування в порошкових сумішах.

Порошок карбіду бору використовують для насичення 10-30 раз. Рештки середовища регенерують після 2-5 циклів борування, добавляючи до відпрацьованої суміші 10-30 % свіжої.

1.5.3.2. Борування із обмазок

Борування із обмазок доцільно використовувати при необхід­ності зміцнення великогабаритних деталей або для місцевого борування окремих частин деталей.

Пасти (обмазки), які використовують, складаються в основному із сумішей сполук бору і алюмінію. При використанні пічного нагріву активні обмазки слід захищати від окиснення. Для цього зверху ак­тивної пасти наносять шар захисної обмазки. Обмазки (активну і за­хис­ну) наносять на оброблені деталі кісточкою, пульверизатором або зануренням. Товщина шару становить 1.5-2.5 мм. Після нанесення наступного шару пасти вироби просушують на повітрі при 20 °С протягом 10-15 годин або в сушильній шафі при 100-250 °С - 0.5-2.0 години. Підготовані таким чином вироби можна нагрівати будь-яким відомим на даний час способом.

1.5.3.3. Електролізне борування

Електролізне борування проводять в розплаві бури. В багатьох випадках в буру добавляють нейтральні солі (NaCl та інші). Підготовку установки для електролізного борування проводять у наступному порядку.

У піч завантажують буру приблизно до половини висоти тигля. Після цього піч нагрівають до 500-600 °С. Буру витримують в печі 0.5-2.0 години із метою видалення з неї кристалічної вологи. Потім температуру піднімають до робочої (800-1000 °С), при якій бура розплавляється. Просушену буру завантажують безпосередньо в тигель, розігрітий до робочої температури. При заповненні розплавленою бурою 1/3 об’єму тигля встановлюють електроди катодного захисту. Вони повинні знаходитись на відстані не менше 100 мм від дна і 30 мм від стінок тигля.

Решта бури вводять в тигель невеликими (5-8 кг) порціями, рівномірно розсипаючи по дзеркалу ванни. Після заповнення тигля бурою до заданого рівня через розплав пропускають постійний струм 10.05-0.25 А/см² протягом 10-15 год. При цьому домішки осідають на стінках тигля, а бура світлішає, що свідчить про придатність її до роботи.

Після вказаної підготовки ванни до роботи, в розплав занурюють приготовлені деталі, попередньо просушені над дзеркалом ванни. Занурювати деталі в розплав потрібно плавно. Потім деталі включають в коло електролізу в якості катода (0.03-0.25 А/см²).

Крім постійного струму, для електролізу бури можна використовувати реверсивний і асиметричний змінний струми.

Після закінчення процесу борування струм вимикають, деталі виймають із розплаву і піддають безпосередньому гартуванню або охолоджують на повітрі.

Деталі промивають від залишків бури в кип’ячій воді. Для прис­корення процесу інколи застосовують ультразвук.

По мірі накопичення в бурі шкідливих домішок проводять її рафінування.

1.5.3.4. Рідинне (безелектролізне) борування

Рідинне борування проводять в розплавах нейтральних солей, які не містять бури з додатками бромистичних речовин; в розплавах боратів з введенням бромвмісних відновлювачів; в розплавах боратів із додатками хімічно-активних металів, металургійних розкислювачів або спеціальних лігатур.

В технологічному відношенні процес рідкого борування дуже простий. Відновлювач вводять в розплав невеликими порціями, кожен раз ретельно перемішуючи його при температурі не нижче температури борування. Після введення необхідної кількості відновлювача ванну протягом 15-20 хвилин пропрацьовують у холосту, перемішуючи розплав.

Попередньо підігріті до 400-500 °С над дзеркалом ванни деталі занурюють у розплав.

Насичення проводять при 850-1050 °С протягом 2-10 год. Після закінчення процесу деталі вивантажують із ванни і піддають безпосередньому гартуванню або охолодженню на повітрі. Від залишків розплаву деталі очищають кипятінням у воді.

1.5.3.5. Газове борування

Газове борування здійснюють шляхом розкладання при температурі процесу газоподібних сполук бору: диборату, трихлористого бору та інших сполук.

Найбільш доцільно для борування застосовувати диборат і трихлористий бор. Боромісткі гази розбавляють газами, які не містять бору. В інакшому випадку на стінках реактора і на насичуючих деталях відкладається шар елементарного бору. Це призводить до зменшення швидкості борування.

Найбільша швидкість процесу має місце при розбавленні диборату і трихлористого бору воднем. При заміні водню азотом або аміаком швидкість процесу зменшується, але також зменшується його вибухонебезпечність.

Суттєвий вплив на результати газового борування має швидкість подачі газу і його тиск в реакторі. Тиск необхідно підтримувати в межах 23.4×10³-28.6×10³ Па.

Оптимальна температура борування 800-900 °С. Після закінчення насичення загартовування доцільно проводити від температури борування.

Суттєвий вплив на товщину боридного шару має хімічний склад сталі.

Режим борування назначають, виходячи з необхідної товщини шару. При цьому необхідно брати до уваги, що для кожної групи сталей існує певна максимальна товщина боридного шару, перевищувати яку не рекомендується.

Вибір методу борування диктується не стільки вартістю процесу, скільки його технологічністю, умовами виробництва, конфігурацією, розмірами, умовами роботи і досягненням підвищеної стійкості зміцнюваних виробів. В умовах масового виробництва при обробці порівняно нескладних, середніх за розмірами деталей віддають перевагу електролізному і газовому боруванню. При обробці дрібних, складних за конфігурацією виробів доцільне рідинне або порошкове борування. Деталі великих габаритів, особливо при необхідності їх місцевого борування, доцільно насичувати із обмазок (паст).

Рис.1.25. Залежність товщини шару h на сталі від вмісту вуглецю після борування при 850 (а), 900 (б) і 970 °С (в) і густини струму j = 0.2 А/см² при τ_пас: 1 – 2 год; 2 – 4 год; 3 – 6 год; 1-3 – загальна товщина шару; 1′-3′ – товщина суцільного шару боридів

Рис.1.26. Залежність товщини двофазного шару h від вмісту легуючих елементів після борування при 950 °С, 4год; а - армко-заліза в порошку карбіду бору; б - сталі з 0.4 % С після електролізного борування 100 % Na₂B₄O₇ (j = 0.2 А/см²)

1.5.4. Термічна обробка борованих деталей

Середньо- і важконавантажені деталі після борування піддають термообробці: гартуванню та відпуску. Гартування бажано проводити з температури борування або з більш низьких температур з попереднім частковим охолодженням. При необхідності подрібнення аустенітного зерна перехідної зони і серцевини, а також при порошковім боруванні в великих контейнерах, гартування проводять з повторного нагріву, тобто як самостійну операцію. Боровані деталі доцільно нагрівати під гартування в добре розкислених соляних ваннах. Нагрів під гартування в печах з повітряною атмосферою недопустимий.

Рис.1.27. Залежність товщини однофазного шару h на сталі з 0,4% С від вмісту легуючих елементів після борування при 960 °С, 8 год в суміші з 35 % SiC + 65 % Na₂B₄O₇

Вибір середовища для гартування визначається хімічним складом сталі. Перевагу, як правило, віддають ізотермічному гартуванню. Гарні результати дає поверхневе гартування СВЧ.

При виборі режимів гартування і відпуску необхідно пам’ятати наступне:

1. Небезпека утворення тріщин та сколів збільшується із збільшенням швидкості охолодження, товщини боридного шару і розмірів виробів.

2. Підвищення в сталі вмісту вуглецю при повільному охо­лодженні зменшує схильність до утворення тріщин та сколів, а при швидкому – збільшує.

3. Легуючі елементи збільшують схильність боридного шару до утворення тріщин і сколів.

4. На однофазних боридних шарах в значно меншій мірі утворюються дефекти в процесі ТО.

5. При інших рівних умовах кількість дефектів зменшується в наступній послідовності: об'ємне гартування на мартенсит – ізотер­мічне гартування – гартування СВЧ.

Температуру відпуску вибирають в залежності від потрібних властивостей основного металу.

Боровані вироби механічній обробці, як правило, не піддають. Але якщо розміри борованих деталей виходять за допуски, встановлені технічними умовами, або шорсткість поверхні готових виробів повинна бути вище 8-9 класів, їх піддають шліфуванню.

Боровані деталі піддають контролю на наявність боридного шару на всіх робочих поверхнях та відсутність сколів, тріщин, інших поверхневих дефектів і відповідність розмірів технічним умовам креслення. Крім цього контролюють товщину боридного шару і твердість серцевини.

1.5.5. Будова і склад борованого шару

Борований шар складається з двох зон (рис.1.28): зони боридів – хімічних сполук бору і заліза і перехідної зони – твердого розчину бору в залізі. Боридна зона має характерну голчасту будову. Голки боридів, зростаючись в основі, утворюють суцільний боридний шар. При боруванні в обмазках з використанням нагріву енерговиділяючими пастами і струмопровідними сумішами, при електролізі розплавів системи Na₂B₄O₇ – MnO і рідинним боруванням в розплаві бури з добавками карбіду кремнію, феромарганцю, феросиліцію, силікомарганцю утворюються однофазні боридні шари (Fe₂B). У всіх інших випадках боридний шар має двофазну будову (FeB+Fe₂B). Борид FeB, розташований в поверхневій зоні, також має голчасту будову.

Максимальна кількість високобористої (FеB) фази утворюється при електролізному і газовому боруванні. Із збільшенням часу насичення кількість FeB в шарі збільшується.

Вуглець різко знижує вміст бориду FeB в шарі. Із збільшенням вмісту вуглецю боридні голки укріплюються, а кінці їх округлюються. Кремній, молібден, вольфрам, нікель і марганець збільшують відносний вміст у шарі бориду FeB, а алюміній і мідь – зменшують. При легуванні сталі декількома елементами помітно ускладнюється будова боридних голок. Вини стають більш розгалужені, а голчаста будова шару – менш чітко виражена. У високолегованих сталях боридний шар росте практично суцільним фронтом.

Легуючі елементи в сталях не утворюють власних боридів, а легують бориди заліза.

У середньо- і високовуглецевих сталях безпосередньо до голок боридів приєднуються перисті виділення борокарбідної (карбоборидної) фази, а глибше – виділення, які мають витягнуту форму і розташовуються, переважно, по границях колишніх аустенітних зерен (рис.1.28).

Боридний шар являє собою лише частину покриття, яке утворюється при боруванні сталей. Під зоною боридів розташовується перехідна зона з відмінною від серцевини структурою (див. рис.1.28). Під перехідною зоною необхідно розуміти твердий розчин бору (вуглецю і боруючих елементів) в залізі, а її товщину можна ототожнювати з глибиною проникнення бору.

Легуючі елементи зменшують товщину перехідної зони.

Рис.1.28. Мікроструктура покриття на сталі 20Х після електролізного борування при 950 °С, 4 год та j = 0.2 А/см². х115 (зменшення при друці 1/2)

1.5.6. Властивості борованих сталей

Борування зменшує густину заліза і сталі, тому що густина боридів FeB i Fe₂B нижча густини зміцнюючих матеріалів.

Аналогічним чином борування впливає на теплопровідність. Коефіцієнти теплопровідності боридів FeB i Fe₂B оцінюються величинами 20 і 26 Вт/(м ×°С) відповідно.

У боридному шарі спостерігається анізотропія температурних коефіцієнтів лінійного розширення.

Модуль пружності бориду Fe₂B становить 3×10⁵ ГПа, а коефіцієнт Пуасона – 0.18, FeB – 4 ×10⁵ ГПа і 0.15 відповідно.

Борування зменшує магнітну проникливість вуглецевих сталей тим більше, чим більша товщина шару.

Коерцетивна сила боридів FeB i Fe₂B оцінюється величинами 1.9-2.1 і 2.8-3.1 Е відповідно. Точка Кюрі бориду FeB рівна 685 °С.

Борування збільшує електроопір сталі.

У результаті борування на 20-30 ⁰С збільшується жорсткість сталі при крученні.

Втомна міцність борованої сталі залежить від методу, способу і режиму борування, хімічного складу сталі і технології наступної ТО.

Гартування та подальший відпуск знижує границю втоми борованої сталі при всіх відомих способах борування.

Характерною властивістю боридних шарів є висока твердість. Борид FeB в бориднім шарі армко – заліза має мікротвердість Н₁₀₀ = 19500-21000 МПа, а борид Fe₂B=13800-14500 МПа. Зниження вмісту вуглецю в сталі призводить до зниження твердості бориду FeB і, практично, не впливає на твердість Fe₂B.

В однофазнім бориднім покритті твердість бориду Fe₂B дещо вища (Н₁₀₀ =14000-16500 МПа) у порівнянні з двофазним.

Висока мікротвердість боридного шару не поступається мікротвердості загартованої середньовуглецевої сталі і зберігається до тем­ператури 700°С. Це дозволяє застосовувати борування для підвищення зносостійкості виробів, які працюють при високих температурах. Боридні покриття володіють підвищеною крихкістю.

Боровані сталі характеризуються високою зносостійкістю при терті ковзанням, абразивному і гідроабразивному зношуванні, фретінг – корозії при кріогенних, високих температурах та в різних агресивних середовищах. Висока зносостійкість – одна із основних власти­востей, для отримання якої проводять борування.

При значних питомих тисках зносостійкість боридного покриття залежить від твердості підборидного шару. Тому термообробка добре впливає на підвищення зносостійкості борованих сталей.

Використання мастил різко зменшує величину зношування борованих виробів.

Боровані сталі володіють найвищою корозійною стійкістю у вод­них розчинах соляної, сірчаної та фосфорної кислот.

В умовах атмосферної корозії або корозії в природних і промислових водах боровані сталі недостатньо стійкі.

1.5.7. Застосування борування

У даний час накопичений великий досвід промислового вико­ристання процесу борування для зміцнення деталей машин, технологічної оснастки і штампового інструменту. У Франції зміцнюють різного роду прецезійні деталі. В Англії боруванню (з наступним азотуванням) піддають ріжучий інструмент. В США газове борування використовують у ракетній техніці і т.д.

Борування застосовують для підвищення довговічності штампів у ливарному виробництві. Воно збільшує довговічность штампів в 2 рази, прес-форм для кераміки в 3 рази, різців для обробки ізоляторів в 3-5 разів.

Якщо враховувати, що борування забезпечує максимальний опір абразивному зношуванню, то його можна застосовувати для відновлення зношених деталей (поверхнева обробка).

Для зміцнення інструменту і устаткування в основному вико­ристовують борування в порошкоподібних сумішах.

Важливою властивістю борованого шару є зберігання високої твердості при нагріві до Т = 950 °С. Крім цього борування надає деталі високі корозійну стійкість і жароміцність. Отже, борування можна застосовувати для підвишення довговічності деталей які працюють в агресивних середовищах.

Дата добавления: 2015-07-18