СПОСОБ БОРОХРОМИРОВАНИЯ СТАЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ Российский патент 2004 года по МПК C23C12/02 

Изобретение относится к металлургии, а именно к химико-термической обработке, и может найти широкое применение в машиностроении для повышения долговечности деталей машин и механизмов.

Известен способ борохромирования стальных изделий, включающий нагрев и насыщение изделий в порошковой среде, содержащей следующие компоненты, мас.%: хром 1,4-3,0, бура 1,5-6, карбид бора - остальное (см. авт.св. СССР №765398, С 23 С 9/04, 1980).

Недостатком известного способа является низкое качество поверхности стальных изделий и низкая скорость насыщения за счет малой активности насыщающей смеси и затруднения доступа газовой фазы непосредственно к поверхности металла.

Наиболее близким аналогом к заявленному объекту является способ борохромирования стальных изделий, включающий нагрев и насыщение изделий в порошковой среде, содержащей следующие компоненты, мас.%: окись хрома 5,6-8,2, окись бора 19,5-21,9, алюминий 21,5-23,5, окись алюминия 47-49, фтористый натрий 0,5-1,5, сера 0,5-1,5. При этом насыщение ведут при температуре 800-1000°С (см. авт.св. СССР №865968, С 23 С 9/04, 1981).

Недостатком известного способа является низкое качество поверхности изделий и низкая скорость насыщения изделий за счет образования окисной пленки на поверхности стальных изделий, затрудняющей доступ газовой фазы непосредственно к поверхности металла.

В основу изобретения поставлена задача повышения качества поверхности стальных изделий при одновременной интенсификации процесса борохромирования.

Поставленная задача решается тем, что в известном способе борохромирования стальных изделий, включающем нагрев, насыщение при температуре борохромирования в порошкообразной смеси, содержащей карбид бора, хромсодержащее вещество, активатор и корунд, и последующее охлаждение, согласно изобретению, борохромирование проводят в псевдоожиженном слое порошкообразной смеси, дополнительно содержащей хлорид никеля NiCl₂, а в качестве хромсодержащего вещества - бромид хрома СrВr₂, в качестве активатора - тетрафторборат натрия и бромистый аммоний, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Карбид бора 0,5-25,0

Бромид хрома СrВr₂ 0,5-15,0

Хлорид никеля NiCl₂ 0,1-2,0

Тетрафторборат натрия 0,1-1,0

Бромистый аммоний 0,1-2,0

Корунд 55-98,7

нагрев и насыщение изделий ведут в среде водорода, причем в процессе нагрева осуществляют две выдержки: при температуре 300-500°С в течение 3-10 минут, при температуре 600-900°С в течение 5-30 минут, а перед охлаждением газообразные продукты откачивают.

Способ борохромирования стальных изделий осуществляют следующим образом.

Предварительно готовят порошкообразную смесь для борохромирования путем смешивания следующих компонентов, мас.%: карбида бора 0,5-25,0, бромида хрома СrВr₂ 0,5-15,0, хлорида никеля NiCl₂ 0,1-2,0, тетрафторбората натрия 0,1-1,0, бромистого аммония 0,1-2,0 и корунда 55,0-98,7. В реторту с указанной порошкообразной смесью загружают стальные изделия. Из реторты откачивают воздух, закачивают водород, создают псевдоожижение насыщающей смеси и осуществляют нагрев изделий одновременно с нагревом насыщающей порошкообразной смеси. В процессе нагрева осуществляют две выдержки: при температуре порошкообразной смеси 300-500°С осуществляют первую выдержку в течение 3-10 минут, затем продолжают нагрев насыщающей смеси и изделий до температуры 600-900°С и осуществляют вторую выдержку в течение 5-30 минут, после чего осуществляют нагрев насыщающей смеси и изделий до температур борохромирования 1000-1200°С, а перед охлаждением газообразные продукты откачивают из реторты.

Химические реакции между компонентами порошкообразной смеси и водородом создают в заявляемом способе условия для увеличения активности смеси и улучшения качества борохромированной поверхности стальных изделий.

При температуре выдержки 300-500°С и времени выдержки 3-10 минут происходят процессы восстановления и адсорбции атомов никеля на поверхности стальных изделий с образованием качественного никелевого покрытия.

При температуре выдержки ниже 300°С снижается стабильность протекания процессов восстановления и адсорбции атомов никеля на поверхности стальных изделий, что в дальнейшем уменьшает интенсивность борохромирования. При температуре выдержки выше 500°С ухудшается качество поверхности стальных изделий за счет образования пористого никелевого слоя.

При выдержке меньше 3 минут хлорид никеля восстанавливается не полностью и при дальнейшем нагреве до температур насыщения происходит восстановление оставшейся части хлорида никеля с образованием пористого слоя на поверхности изделий. При времени выдержки более 10 минут существенных изменений на поверхности стальных изделий не происходит, поэтому такие выдержки нецелесообразны, так как увеличивают длительность процесса борохромирования.

При температуре выдержки 600-900°С и времени выдержки 5-30 минут происходят процессы восстановления и адсорбции атомов хрома на поверхности стальных изделий с образованием качественного хромового покрытия.

При температуре выдержки ниже 600°С снижается стабильность протекания процессов восстановления и адсорбции атомов хрома на поверхности стальных изделий, что в дальнейшем уменьшает скорость борохромирования. При температуре выдержки выше 900°С ухудшается качество поверхности стальных изделий из-за образования пористого хромированного слоя.

При выдержке меньше 5 минут бромид хрома восстанавливается не полностью и при дальнейшем нагреве до температур насыщения происходит восстановление оставшейся части бромида хрома с образованием пористого слоя на поверхности изделий. При времени выдержки более 30 минут существенных изменений на поверхности стальных изделий не происходит, поэтому такие выдержки нецелесообразны.

После окончания процесса насыщения присутствие газообразных продуктов в среде нецелесообразно, так как при дальнейшем охлаждении это приводит к ухудшению качества борохромированной поверхности стальных изделий из-за образования пористого слоя покрытия на поверхности стальных изделий. Поэтому перед охлаждением производят откачку газообразных продуктов из реторты.

Насыщение при температурах борохромирования позволяет получить на поверхности изделий слои, состоящие из боридов железа и боридов хрома.

Карбид бора вводят в состав насыщающей смеси с целью получения слоя с содержанием боридов железа.

Введение в состав насыщающей смеси карбида бора менее 0,5 мас.% приводит к нестабильности процесса насыщения поверхности изделий бором, что приводит к снижению интенсивности насыщения. Увеличение его содержания более 25 мас.% приводит к спеканию насыщающей смеси, что ухудшает качество борохромированной поверхности стальных изделий.

Присутствие в составе насыщающей смеси бромида хрома двухвалентного СrВr₂ позволяет получать активные атомы хрома за счет его восстановления в присутствии бромистого аммония и водорода.

Уменьшение содержания бромида хрома менее 0,5 мас.% снижает стабильность протекания процессов адсорбции и диффузии атомов хрома в стальную поверхность, в результате чего скорость формирования борохромированных слоев снижается. Увеличение содержания бромида хрома более 15 мас.% ухудшает качество борохромированной поверхности стальных изделий из-за образования пористого слоя хрома на поверхности стальных изделий.

Присутствие в составе компонентов хлорида никеля двухвалентного NiCl₂ позволяет получать активные атомы никеля за счет химических реакций между компонентами смеси. При этом создаются условия для ускоренного протекания процессов насыщения бором, хромом и никелем стальной поверхности, что улучшает качество поверхности стальных изделий и значительно интенсифицирует процесс борохромирования.

Уменьшение содержания хлорида никеля менее 0,1 мас.% приводит к нестабильности процессов адсорбции атомов никеля на стальной поверхности, тем самым снижает скорость формирования борохромированных слоев. Увеличение содержания хлорида никеля более 2 мас.% приводит к ухудшению качества борохромированной поверхности в результате образования пористых поверхностных слоев.

Тетрафторборат натрия вводят в смесь как активатор, способствующий освобождению атомов бора.

Уменьшение содержания в смеси тетрафторбората натрия менее 0,1 мас.% приводит к нестабильности освобождения атомов бора, тем самым уменьшает интенсивность насыщения. Увеличение его содержания более 1 мас.% нецелесообразно из-за перерасхода материала.

Бромистый аммоний вводят с целью активизации процесса борохромирования, что способствует образованию активных атомов хрома, никеля и бора, а также позволяет проводить процесс борохромирования в псевдоожиженном слое без спекания смеси.

Уменьшение содержания бромистого аммония менее 0,1 мас.% приводит к нестабильности процессов восстановления хлорида никеля и бромида хрома, а также адсорбции атомов этих металлов к поверхности стальных изделий, что снижает интенсивность борохромирования. Увеличение его содержания свыше 1 мас.% нецелесообразно в целях экономии материала.

Корунд вводят для создания псевдоожиженного слоя.

Применение псевдоожиженного слоя позволяет сократить время насыщения и время нагрева насыщающей смеси, а также обеспечивает равномерный нагрев обрабатываемых стальных изделий. При борохромировании стальных изделий в псевдоожиженном слое частицы насыщающей смеси контактируют с поверхностью металла, в результате чего происходит очищение поверхности металла от пленки соединений В₂О₃ и BCl и тем самым облегчается доступ газовой фазы непосредственно к поверхности материала. Процессы борохромирования в псевдоожиженном слое протекают в основном за счет газофазного процесса, что обеспечивает высокую скорость насыщения.

Для обоснования преимуществ заявляемого способа по сравнению со способом, взятым за прототип, были проведены лабораторные испытания.

Образцы стали 45 диаметром 5 мм и длиной 50 мм подвергали борохромированию известным способом и заявляемым способом в псевдоожиженном слое с целью определение качества поверхности и интенсивности насыщения. Составы насыщающей смеси, режимы проведения борохромирования и результаты металлографических исследований приведены в таблице.

Из приведенных данных следует, что заявляемый способ борохромирования стальных изделий в псевдоожиженном слое по сравнению с прототипом позволяет улучшить качество обработанной поверхности, сокращает в 2 раза время обработки стальных изделий в насыщающей смеси.

Изобретение относится к металлургии, а именно к химико-термической обработке, и может найти широкое применение в машиностроении. Данный способ включает нагрев, насыщение при температуре борохромирования в порошкообразной смеси, содержащей следующие компоненты, мас.%: карбид бора 0,5-25,0, бромид хрома 0,5-15,0, хлорид никеля 0,1-2,0, тетрафторборат натрия 0,1-1,0, бромистый аммоний 0,1-2,0, корунд 55-98,7, причем нагрев и насыщение изделий ведут в среде водорода, при этом в процессе нагрева осуществляют две выдержки: при температуре 300-500°С в течение 3-10 минут и при температуре 600-900°С в течение 5-30 минут, а перед охлаждением газообразные продукты откачивают. Техническим результатом изобретения является повышение качества обработанной поверхности стальных изделий, а также интенсификация процесса борохромирования. 1 табл.

Способ борохромирования стальных изделий, включающий нагрев, насыщение при температуре борохромирования в порошкообразной смеси, содержащей карбид бора, хромсодержащее вещество, активатор и корунд, и последующее охлаждение, отличающийся тем, что борохромирование проводят в псевдоожиженном слое порошкообразной смеси, дополнительно содержащей хлорид никеля NiCl₂, в качестве хромсодержащего вещества - бромид хрома СrВr₂, в качестве активатора - тетрафторборат натрия и бромистый аммоний, при следующем соотношении компонентов, маc.%:

Карбид бора 0,5-25,0

Бромид хрома СrВr₂ 0,5-15,0

Хлорид никеля NiCl₂ 0,1-2,0

Тетрафторборат натрия 0,1-1,0

Бромистый аммоний 0,1-2,0

Корунд 55-98,7

нагрев и насыщение изделий ведут в среде водорода, причем в процессе нагрева осуществляют две выдержки: при температуре 300-500°С в течение 3-10 мин, при температуре 600-900°С в течение 5-30 мин, а перед охлаждением газообразные продукты откачивают.