Способ борирования стальных изделий

 

Изобретение относится к металлургии, в частности к химико-термической обработке, и может быть использовано в машиностроении при поверхностном упрочнении деталей машин путем борирования. Цель изобретения - интенсификация процесса. Способ борирования включает нанесение на поверхность обрабатываемых изделий слоя твердого электролита на основе бора, последующее размещение этих изделий в контейнере с насыщающей смесью, содержащей, мас.% : карбид бора 20-50

окись алюминия остальное, нагрев изделий до рабочей температуры и выдержку при этой температуре при приложенном между обрабатываемыми изделиями и насыщающей смесью постоянно электрическом напряжении. При этом в качестве твердого электролита используют обезвоженную буру, сплав обезвоженной буры с литием в количестве 1-12 мас.% и эвтектический сплав обезвоженной буры с галогенидом натрия. Изобретение обеспечивает повышение скорости борирования в 1,5-2 раза по сравнению с обработкой известным способом. 3 з.п. ф-лы, 5 табл.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН (19) (111

2 А1 (51)5 С 23 С 8/70

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н А ВТОРСХОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

20-50

Остальное

Карб щ бора

Окись алюминия

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

1 (21) 4346344/31-02 (22) 21. 12.87 (46) 15.07.90. Бюл. 1(26 (71) Курский политехнический институт (72) А.И. Шумаков, В.Г.Воронин, В.А.Волобуев и В.И.Ермолов (53) 621.785.53(088,8 ) (56) Заявка ПНР Р 247457, кл. С 23 С 8/70, опублик. 1986. ! (54) СПОСОБ БОРИРОВАНИЯ СТАЛЬНЫХ

ИЗДЕЛИЙ ,(57) Изобретение относится к металлургии, в частности к химико-термической обработке, и может быть использовано в машиностроении при поверхностном упрочнении деталей машин путем борирования. Цель изобретения — интенсификация процесса.

Способ борирования включает нанесеИзобретение относится к металлургии, в частности к .химико-термической обработке, и может быть использовано в машиностроении при поверхностном упрочнении деталей машин путем борирования.

Цель изобретения — интенсификация процесса борирования — достигается тем, что в способе диффузионного насыщения, включающем размещение деталей в контейнере, засыпку их насьпцающей смесью, загрузку в печь, разогретую до температуры обработки, приложение электрического напряжения между деталями и смесью и выпержку, на детали перед размещением их в контейнере на2 ние на поверхность обрабатываемых изделий слоя твердого электролита на основе бора, последующее размещение этих изделий в контейнере с насыщающей смесью, содержащей, мас.Е: карбид бора 20-50; окись алюминия остальное, нагрев изделий. до рабочей температуры и выдержку при этой температуре при приложенном между обрабатываемыми изделиями и насьпцающей смесью постоянном электрическом напряжении. При этом в качестве твердого электролита используют обезвоженную буру, сплав обезвоженной буры с литием в количестве 1-12 мас.Х и эвтектический сплав обезвоженной буры с галогенидом натрия. Изобретение обеспечивает повышение скорости борирования в 1,5-2 раза по сравнению с обработкой известным, способом, 3 з.п.h-лы, 5 табл. носят слой твердого электролита, а в качестве насьпцающей смеси берут смесь порошков карб ща бора с окисью алюминия при следующем их соотношении, мас. 7.:

В качестве твердого электролита используют обезвоженную буру, сплав обезвоженной буры с литием при следующем их соотношении, мас.Е:

Литий 1,0-12,0

Бура обезвоженная Остальное и эвтектический сплав обезвоженной буры с галогенидами натрия.

1578227

Нанесение на детали слоя вещества, свойства электролита при нагреве до температуры обработки позволяют интенсифицировать процесс образования борированного слоя, так как пленка электролита между насыщаемой поверхностью детали и порошковой смесью является средой, через которую возможен перенос ионов бора. Причем при температурах обработки (8501000 С) в расплаве буры с литием частично растворяется карбид бора, так как литий, обладая черезвычайно высоким сродством к кислороду, способствует восстановлению бора в расплаве буры. Восстановленные ионы бора переносятся электролизом на катод, а недостаток бора в расплаве буры восполняется за счет растворения карбида бора. В результате протекания такого процесса пленка электролита является не поставщиком ионов бора, а средой, в которой происходит их перенос. Поставщиком же атомов бора, необходимых для диффузионного насьш ения, явля ется кар бид бора.

Окись алюминия вводят для снижения электропроводимости насыщающей смеси.

Сопротивление карбида бора резко уменьшается от 0,9 до 0,04 Ом см при о нагреве. соответственно от 20 до 500 С.

Поэтому при нагреве до температуры обработки без добавки окиси алюминия процесс протекал бы практически н условиях короткого замыкания, что негативно влияет на срок службы питающего трансформатора.

В качестве боросодержащего вещества может быть использован порошок бора, но он по стоимости значительно превосходит порошок технического карбида бора.

Пример 1. Предложенным способом борируют образцы из сталей

45, 20Х, У8, ШХ15 в Форме цилиндров

4 14 мм и высотой 12 мм, которые имеют сквозное отверстие с резьбой для крепления к токонводам. Борируют мерительный инструмент — калибры в виде гладких предельных пробок

9,022-0,004 и 5,955-0,004.

Перед упаковкой деталей в контейнер на них наносят слой твердого электролита. Для этого обезжиренчые образцы окунают в расплав электролита, находящийся при 730-760ОС. Части деталей, подлежащие борированию, выдерживают в расплаве 2-3 мин и из Ъ

$5

55 влекают. На их поверхнос ти остается .слой расплава толщиной 1,0-1,2 мм, При необходимости нанесения слоя электролита большей толщины детали охлаждают и повторно окунают в расплав, после чего толщина слоя расплава на них составляет 2,0-2-2 мм.

В дальнейшем детали закрепляют н кольцеобразном держателе, снабженном токовводами, выходящими через керамические изоляторы в крышке наружу из контейнера. На дно контейнера засыпают порошковую смесь и устанавливают держатель с деталями внутри контейнера так, чтобы не.было непосредственного контакта между деталями и корпусом. Далее контейнер заполняют смесью так, чтобы поверхности, подлежащие борированию, были полностью скрыты. К токовводам присоединяют отрицательный полюс от источника постоянного тока, а к корпусу контейнера, т.е. к смеси, — положительный.

Контейнер загружают в муфель печи, разогретой до температуры борирования. При достижении в контейнере равновесной гемпературы на токовводы подают напряжение.

Экспериментально установлено, что наилучшие результаты дает борирование при напряжении 13-35 В и соответствующей плотности тока 0,21,7 А/см .

Борированне образцов и деталей проводят при 850-1000 С н течение 1,56 ч. По окончании выдержки отключают напряжение, вынимают контейнер из печи и охлаждают на воздухе.

В процессе распаконок контейнеров установлено, что во всех случаях на поверхности образцов остается слой смеси, спекшийся со слоем электролита. Налипшую смесь удаляют с поверх-. ности образцов легкими ударами деревянного молотка. Налипшая смесь под ударами раскалывается и отслаивается от поверхности образцов. которые остаются чистыми, матово-серого цвета. Других мер по очистке поверхности борированных образцов не требуется.

Из бориронанных образцов приготавливают микрошлифы, которые подвергают микроструктурному анализу на микроскопе MHN-8. Измеряют толщину борированных слоев, качество слоев, т.е. наличие пор, микротрещин, неоднородностей толщины. Проверяют микротвер5 15782 дость слоев на приборе IlMT-3. Выполняют фазовый рентгеноструктурный ана" лиз слоев на дифрактометре ДРОН-1.

Экспериментально установлено, что толщина слоев и плотность тока, подводимого к борируемым деталям, .зависят от состава насьш(ающей смеси и состава электролита. В табл. 1 приведена зависимость параметров борированных слоев на стали 20Х, полученных при 920 С в течение 5 ч, от содержания карбида бора при оптимальном составе электролита (бура обезноженная

+57 Li).

Из данных; приведенных в табл. 1, следует, что оптимальным в борирующей смеси является содержание карбида бора в пределах 20-507,. При его содержании менее. 207. уменьшается и ста- 20 новится неравномерной толщина борированных слоев, а при содержании более

507. резко возрастает электропроводность среды, что приводит к росту плотности тока. В результате возрас- 25 тания плотности тока на борируемой поверхности появляются наросты аморфного бора, которые можно удалить только лишь механической шлифовкой, На толщину и качество (пористость, трещиноватость и др.) борированных слоев сильно влияет состав наносимой пленки электролита.

Сравнительные данные, полученные в результате борирования стали 40Х при наличии пленки электролита различного состава, а также данные по способу-прототипу приведены в табл.2, . Борирование проводили в смеси опти- 4О мального состава при 920ОС 5 ч, плотность тока 1,1 А/см . . Из данных, приведенных в табл.2, следует, что наибольшая толщина слоя (борированного) при хорошем качест- 45 ве и оптимальной плотности тока обеспечивается при наличии пленки электролита, состоящей из обезвоженной бурн с 1-1.27 лития. Наименьшая толщи" на слоев соответствует способу-прототипу, когда на поверхности борированных деталей не наносят пленку электролита.

Пленка электролита, состоящая из чистой буры и ее эвтектических смесей с хлористым и фтористым натрием, обеспечивает в 1,5 раза большую толщину борированных слоев в сравнении со способом-прототипом, но меньшую

27 6 толщину в сравнении с пленкой из смеси буры и литием, Сравнительные результаты по износостойкости и эксплуатационной стойкости, подтверядающие преимущества предложенного способа борирования в сравнении со способом-прототипом, и фазовый состав поверхностных слоев на стали 40Х, борированной при 920 С в течение 5 ч при плотности тока

1,1 А/см, приведен в табл.3.

Как следует из табл. 3, в борированных слоях, полученных предложенным способом, высокотвердая фаза FeH занимает до 507 толщины борированного слоя, а в слоях, полученных по способу-прототипу, фаза FeH занимает менее 207, от толщины борированного. слоя °

Сравнительные испытания на износостойкость проводили на машине MH-1 по схеме диск-колодка. Борированные диски из стали 40Х ф 30 мм и толщиной 10 мм испытывали в паре с колодками из закаленной стали.ШХ15, Колодки имели дугу охвата диска 22 мм, скорость вращения диска 450 об/мин, нагрузка 130 кгс. Износостойкость оценивали по потере массы за одинаковое время трения диска. 3а эталон стойкости приняли закаленную сталь 40Х, за критерий износостойкости — относительную стойкость, т.е. отношение износостойкости борированных образцов к закаленным, Сравнительные данные приведены в табл. 4.

Сравнительные данные, приведенные в табл. 4, показывают, что по всей толщине борированных слоев износостойкость образцов, обработанных предложенным способом, выше износостойкости согласно способу-прототипу. Это объясняется большей толщиной зоны с высокотвердой фазой FeB у образцов, борированных предложенным способом. Начиная с глубины 200 мкм, стойкость образцов, борированных по способу-прототипу, равна стойкости неборированной стали 40Х, так как весь слой износился, а стойкость образцов, борированных предложенным способом, осталась в 3,8 раза вьппе эталонной.

Пример, 2. Предложенным способом борируют калибры в виде гладких предельных пробок из стали ШХ 15, применяемых при абразивно"алмазной доводке деталей топливной аппарату"

1578227

Таблица 1

Другие показатели борированного слоя

Плотность тока, А/см2

Толщина борированного слоя, мкм

Состав насьпцающей, смеси, мас.%.Карбид бора 10

Окись алюминия 90

Карбид бора 20

Окись алюминия 80

Карбид бора 35

Окись алюминия 65

Карбид бора 50 Окись алюминия 50

Карбид бора 60

Окись алюминия 40

0,2

Толщина неравномерна

210

0,8

340

350

1,7

360

Недопустимая бугристость поверхности

3,8

360 ры — втулок плунжерных и распылительных пар.

Для борирования берут изношенные калибры, т.е, вьппедшие по размеру за пр делы допуска. Борирование вы5 полняют при 930 С в течение 4 ч. На поверхность пробок наносят пленку электролита (бура +6% лития) толщиной

1,2 мм. Борирующая смесь состоит из смеси карбида бора с окисью алюминия, взятых .в соотношении 1:i. Между пробками и смесью прокладывают постоянное напряжение 18 В при соответствующей плотности тока 1,2 А/смй.

В результате борирования на поверхности пробок формируется борированньп слой толщиной 260 мкм. Диаметр пробок возрос на 520 мкм, что приводит к восстановлению заданного размера с запасом на механическую доводку

80 аахм. .После доводки алмазным порошком до

9 ° 022-0,о и Ф 5 255-о,004 пробки были испытаны в промышленных условиях на участке абразивно-алмазной доводки цеха . топливной аппаратуры

К3Т3.

В табл. 5 приведены результаты 30 эксплуатационных испытаний калибров, борированных предложенным и известным способами.

Как видно из данных табл. 3 предложенный способ борирования обеспечи- 35 вает в 1,2-1,4 раза более высокую эксплуатационную стойкость изделий, чем способ-прототип.

Формула.и з о бр е т ения

1. Способ борирования стальных изделий, включающий размещение деталей в контейнере с насьпцающей порошко вой смесью, за груз ку ко нте йн ера в печь, нагретую до рабочей температуры, приложение разности потенциалов между изделиями и смесью и изотермическую выдержку при рабочей темпеФ ратуре, отличающийся тем, что, с целью интенсификации процесса, перед размещением деталей в контейнере на них наносят слой твердого электролита на основе бора, а в качестве порошковой смеси используют смесь карбида бора с окисью алюминия при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Карбид бора 20-50

Окись алюминия Остальное

2, Способ по п. 1, о т л и ч а юшийся тем, что в качестве твердого электролита используют обезвоже иную буру .

3. Способ по п. 1, о т л и ч аю шийся тем, что в качестве твердого электролита используют сплав обезвоженной буры с литием при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Литий 1-12

Обезвоженная бура Остальное

4. Способ по п. 1, о т л и ч аю шийся тем, что в качестве твердого электролита используют эвтектический сплав обезвоженной буры с галогенидом натрия.

Незначительный рельеф на поверхности

1О

1578227

Та блица 2

Толщина борированного слоя, мкм

Способ борирования и состав пленки электролита, мас.X

Способ-прототип (без пленки электролита)

Предлагаемый способ (пленки электролита:

:эвтектический состав буры с фтористым натрием) 170

250

Эвтектический состав ,. буры с хлористым натрием

260

220

250

310

360

380

Пористость до 37 в поле зрения

13

Литий

Бура

380

Та блица 3

Иикротвердость

Н р (в теле FeB, в знаменателе — FeB

Толщина борированного

Состав слоя слоя, мкм

1600

Двух360 фазн.

Пленка

Бура + 67 1.i

Предложенный .способ

160

1600

Эвтетика

Бура + ИаУ

110

250 То же

Эвтетика

Бура + NaC1

1550

110

260 То же

Способпрототип

170

Чистая

Литий

Бура

Литий

Бура

Литий

Бура

Литий

Бура бура

0,5

99,5

99

9 4

12

Способ борирования

Плотность тока, Другие показатели

А/см борированного слоя

Пористость до 12-13Х

Толщина зоны, занимаемой боридом, мкм

1578227

Ta блица 4

Способ борирования Относительная износостойкость по глубине (мкм) борированных слоев

0-30 30-60 60-90 90-120 120-150 .150-200 200-230 230-260

Таблица 5

Причина выхода из строя калибра оличество измеренных тверстнй до отбраковки алибра, шт. х 10

Способ борирования калибров

Уменьшение диаметра в результате износа

То же

Н

Составитель А. Булгач

Техред М.Дидик Корректор М. Самборская

Редактор А. Маковская

Заказ 1893

Тираж 816

Подпис ное

БЯККПЦ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101

Предложенный с пленкой

Бура + 6й Li

Бура + NaF

Бура 4- NaC1

Способ-прототип

Предложенный способ:

Бура + 6X Li

Бура + NaF

Бура + NaC1

Способ-прототип

5,2

4,1

4,2

3,9

5,2 5,2

4,1. 4,1

4,2 4,2

2,5 2,5

12,50

11,02

11,08

9,30

5,2

3,8

3,8

2,5

5,2

3,8

3,8

2,5

4,0

3,8

3,8

1,6

3,8 3,8

3,8 3,8

3,8 3,8

1 1