СОСТАВ ГЕТЕРОГЕННОЙ ПОРОШКОВОЙ СМЕСИ ДЛЯ БОРИРОВАНИЯ СТАЛЬНЫХ ДЕТАЛЕЙ Российский патент 2022 года по МПК C23C8/70 

Заявляемое изобретение относится к химико-термической обработке сталей в порошковых средах и может быть использовано для повышения эксплуатационных характеристик деталей из низкоуглеродистых сталей, применяемых в машиностроении и на предприятиях по производству кирпича и строительных блоков.

Известны составы порошковых сред на основе карбида бора для диффузионного насыщения бором поверхностных слоев стальных деталей. В качестве дополнительных источников активных атомов насыщающей среды используют древесноугольный карбюризатор, а для интенсификации диффузионного насыщения порошковой смеси, содержащей бор и углерод, применяют кислородосодержащие соединения и галогены в качестве активаторов: натрий углекислый (Na₂CO₂), кальций углекислый (CaCO₃), калий марганцово-кислый (KMnO₃), тетрафтороборат калия (KBF₄) и др. [1,2,3,4,5,6].

Недостатками известных составов порошковых смесей являются нестабильное качество диффузионного двухфазного борированного слоя, что проявляется в возникновении пор на отдельных участках поверхности и др. дефектов в виде сколов или локального отслаивания вследствие нарушения адгезии (сцепления) борированного слоя с металлической подложкой, а также быстрое снижение насыщающей способности смеси при повторном использовании.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является состав порошковой смеси для борирования стальных изделий [7], содержащий следующие компоненты, мас. %:

карбид бора – 45-65;

фтористый натрий – 5-8;

ВГКЦ – 75-0,5 – 30-35;

древесноугольный

карбюризатор – 8-12.

Применение высокоглиноземистого коррозионностойкого цемента (ВГКЦ - 75-0,5) на основе алюминатов кальция (изготавливается по техническим условиям ТУ 5737-006-00284345-99) с содержанием 75% Al₂O₃ и 20% CaO позволяет предохранить порошковую смесь от спекания и налипания ее компонентов на поверхности борируемых деталей.

Древесноугольный карбюризатор (ДУ) обеспечивает формирование газовой среды двуокиси углерода (CO₂), которая предохраняет порошковую смесь от окисления.

Однако, борирование с использованием порошковой смеси на основе карбида бора при содержании ДУ в порошковой смеси в количестве до 20% (по массе) приводит к образованию двухфазных боридных слоев, состоящих из моноборида FeB и диборида Fе₂B. Коэффициент линейного расширения этих фаз различен, а это вызывает при охлаждении возникновение значительных напряжений в поверхностных слоях металла. Наибольшее увеличение объема диборида Fе₂B происходит при температуре в 820-830°С, а моноборида FеB при 240-250°С. Поэтому расширение одного борида при неизменных размерах второго борида сопровождается появлением трещин в диффузионном слое.

Последующая термообработка, необходимая для создания твердой подложки и увеличения глубины упрочненного слоя, при которой происходит мартенситное превращение стали, приводит к возникновению растягивающих напряжений в зоне моноборида FeB за счет чего появляются надрывы или даже частичное отделение фазы FeB по всей поверхности борируемой детали, что приводит к появлению брака или существенному снижению эксплуатационных характеристик деталей.

Техническим результатом заявляемого изобретения является достижение стабильного качества поверхностей деталей за счет снижения внутренних напряжений при борировании путем формирования однофазного диффузионного слоя из диборида Fе₂B.

Технический результат достигается тем, что в порошковый состав, содержащий карбид бора и древесноугольный карбюризатор, дополнительно вводят железную окалину и натрий углекислый при следующем соотношении компонентов гетерогенной порошковой смеси, мас. %:

карбид бора (В₄С) – 56-60;

железная окалина (Fе₃О₄) – 24;

древесноугольный карбюризатор (ДУ) – 15-19;

натрий углекислый (Na₂CO₃) – 1.

Введение в порошковую смесь железной окалины увеличивает диффузию атомов бора к поверхности деталей. У железа меньше сродство к кислороду по сравнению с бором и углеродом. Поэтому в процессе нагрева до температуры борирования оксид железа (Fе₃О₄) активно взаимодействует с карбидом бора (В₄С), разлагает его с образованием активных атомов бора, которые диффундируют в поверхностный слой стальных деталей, что интенсифицирует процесс формирования боридного слоя при прочих равных условиях.

Железная окалина является побочным продуктом (отходом) в процессах термической обработки заготовок и кузнечного производства. Среднее количество химических элементов в окалине, определяющих ее свойства, составляет, мас. %:

Fе – 78; Si – 0,15; Mn – 0,4; S – 0,05; Р – 0,02.

Качество борированного слоя при диффузии в поверхность металла бора из порошковых сред определяется тремя основными факторами: составом насыщающей среды, температурой процесса и временем выдержки.

Высокое содержание дефектов в боридном слое в виде трещин и локальных сколов в ряде случаев приводит к самопроизвольному скалыванию борированного слоя (шелушению) вследствие ухудшения сцепления (адгезии) борированного слоя и основного металла. Такое развитие дефектов характерно для диффузионных двухфазных слоев, содержащих высокобористый моноборид FeB и диборид Fе₂B.

Присутствие в диффузионном слое металла только диборида Fе₂B уменьшает хрупкость слоя, а также количество трещин и сколов. Поэтому качество однофазного боридного слоя значительно выше, чем двухфазного. Отсутствие высокобористой фазы FeB практически исключает шелушение борированного слоя.

Определим условия формирования однофазного боридного слоя для разработки состава порошковой среды, обеспечивающей процесс однофазного борирования из смеси, содержащей карбид бора (В₄С) и древесноугольный карбюризатор (ДУ). Для такой смеси состав диффузионных боридных слоев в диапазоне температур 880…960°С не зависит от температуры процесса и полностью определяется компонентами насыщающей гетерогенной смеси. Атомарный бор «В» при такой температуре диффундирует в поверхность нагретого металла и образует в поверхностных слоях металла бориды железа Fе₂B и FeB. Практически для всех сталей и железа отмечается общая закономерность уменьшения количества моноборида FeB с увеличением в гетерогенной порошковой смеси (В₄С и ДУ) концентрации древесноугольного карбюризатора, который является источником атомарного углерода «С». Установлено, что двухфазные боридные слои образуются в такой порошковой смеси при содержании карбюризатора ДУ до 20%. Дальнейшее повышение концентрации карбюризатора ДУ от 20 до 70% приводит к возникновению однофазного боридного слоя Fе₂B на поверхности металла борируемых деталей.

Поэтому порошковая смесь из карбида бора и 20-25% (по массе) древесноугольного карбюризатора обеспечивают стабильное образование на поверхности металла однофазного боридного слоя Fе₂B. При этом возникает газовая среда из двуокиси углерода (CO₂), которая предохраняет гетерогенную порошковую смесь от окисления и поддерживает ее высокую насыщающую способность при неоднократном использовании, а следовательно, отпадает необходимость герметизации контейнера с порошковой смесью и заготовками.

В однофазном диффузионном боридном слое Fе₂B невозможно возникновение трещин параллельных поверхности металла, которые обычно возникают на границе FеB - Fе₂B двухфазного слоя после термической обработки борированных заготовок, а также возникновение локальных сколов и тем более шелушения поверхностных слоев металла (шелушение происходит вследствие образования большого количества трещин параллельных и перпендикулярных поверхности).

Максимальная толщина однофазного боридного слоя достигается в порошковой смеси с добавкой 1% натрия углекислого (Na₂CO_3). Дальнейшее увеличение содержания окисляющей соли Na₂CO₃ приводит к снижению толщины однофазного боридного слоя, что объясняется повышением концентрации оксида бора (В₂О₃) на поверхности борируемых заготовок, а это затрудняет взаимодействие активной борирующей среды с поверхностями нагретого металла заготовок.

Важным преимуществом разработанного состава гетерогенной смеси является ее меньшая стоимость, так как железная окалина и древесноугольный карбюризатор в десятки раз дешевле карбида бора, а также отсутствие токсичных выделений фторидов бора в отличие от прототипа.

Пример. Диффузионное борирование пластин штампов из стали 20 (ГОСТ 1050-74) для прессования абразивосодержащих смесей разработанным составом осуществляют следующим образом.

Поверхности пластин очищают от окалины и загрязнений, используя пескоструйную обработку и растворитель, напр., уайт-спирит.

Для получения качественной порошковой смеси все компоненты просушивают, а карбид бора (В₄С ГОСТ 5744-76) с размерами частиц 80-125мкм прокаливают в течение 1…2 часов при температуре 400…450°С.

Древесноугольный карбюризатор (березовый) ГОСТ 2407-83 (ДУ) и железную окалину измельчают и просеивают через сито с размерами ячеек 2×2 мм.

Взвешивают компоненты порошковой смеси в необходимом для разработанного состава количестве в соответствии с принятым процентным соотношением по массе:

карбид бора (В₄С) – 56-60;

железная окалина (Fе₃О₄) – 24;

древесноугольный карбюризатор (ДУ) – 15-19;

натрий углекислый (Na₂CO₃) – 1.

Все компоненты перемешивают в смесителе до получения однородного состава порошковой смеси. Смесь засыпают на дно контейнера высотой 15-25 мм и утрамбовывают, затем укладывают в контейнер пластины штампов с зазорами 6…10мм между стенками контейнера и между пластинами. Укладку пластин для предотвращения коробления производят вертикально, используя вспомогательные стержни диаметром 6…10 мм.

Пространство между пластинами засыпают смесью, вынимают вспомогательные стержни и досыпают сверху слой порошка толщиной 10…15 мм, производят утрамбовку смеси. Контейнер закрывают крышкой, а в карманы контейнера по периметру крышки засыпают сухой песок для равномерного нагрева объема контейнера.

Контейнер, заполненный деталями и порошковой смесью, помещают в электропечь, разогретую до температуры борирования (940…950°С). При нагреве смеси, начиная с температуры 300°С, происходит окисление бора кислородом, что приводит к образованию оксида бора В₂О₃ и протекает реакция:

2 В₂О₃ → 2 В₂О₂ + О₂ .

Носителем активных атомов бора являются пары В₂О₂, которые достигают поверхности детали и образуют атомарный бор «В» по реакции:

3 В₂О₂ → 2 В₂О₃ + 2В .

Атомарный бор диффундирует в поверхность металла, и химически связываясь с железом, образует борид железа Fе₂B.

Таким образом, на поверхностях пластин штампов, установленных в контейнеры, возникает однофазный диффузионный слой из тетрагонального борида железа Fе₂B, микротвердость которого достигает 14,5…16 ГПа. Диффузионная связь однофазного борированного слоя с основным металлом для конструкционной стали 20 достаточно прочная и не уступает цементованному слою. Время процесса диффузии при такой температуре составляет 5…6 часов.

После выдержки контейнеры извлекают из печи и охлаждают на воздухе. После полного остывания извлекают пластины. Отработанный боросодержащий порошок просеивают и регенерируют, смешивая с 10…15% свежего состава, а затем используют повторно. Пластины штампов промывают и просушивают.

При высоких контактных давлениях, возникающих при прессовании, например керамических кирпичей, износостойкость борированного слоя зависит от твердости основного металла в поверхностной зоне.

Поэтому пластины штампов подвергают закалке путем нагрева в соляной ванне до температуры 820…830°С с выдержкой до полного прогрева и охлаждают в воде. После закалки проводят низкотемпературный отпуск пластин штампов с выдержкой в печи в течение 2…3 часов при температуре 200…220°С и охлаждением с печью. Измеряют твердость закаленного поверхностного слоя, которая составляет 63…65 HRC.

Пластины контролируют после химико-термической обработки на сплошность борированного слоя по поверхности пластины штампа, наличие сколов, трещин и др. дефектов. Толщина борированного слоя и фазовый состав проверялись металлографическим способом путем изготовления шлифов на контрольных образцах из того же материала, что и пластины штампов. Микротвердость по глубине слоя определялась методом косых срезов под углом 1…2° к поверхности образца. Дефекты поверхности контролировались визуальным осмотром и с использованием микроскопа.

Для определения сохранения насыщающей способности порошковой смеси в зависимости от кратности ее использования новую партию образцов укладывали в контейнер, засыпали смесью и проводили повторное насыщение. О степени потери насыщающей способности свидетельствует изменение глубины борированного слоя. В таблице 1 приведено содержание компонентов известного и предлагаемого составов порошковой смеси, а в таблице 2 представлены данные по изменению глубины борированного слоя на образцах из стали 20 для различной кратности использования смеси (температура борирования 940…950°С, длительность выдержки 6 часов).

Таблица 1. Компоненты составов порошковых смесей

Компоненты смеси Известный состав, мас.% Новый состав, мас.% Карбид бора 50 56 Фтористый натрий 5 - Железная окалина - 24 ВГКЦ-75-0,5 35 - Древесноугольный карбюризатор 10 19 Натрий углекислый - 1

Таблица 2. Изменение глубины борированного слоя

Кратность использования порошковой смеси Глубина борированного слоя, мкм Известный состав
FeB + Fе₂B Новый состав
Fе₂B 1 170 180 2 160 165 3 145 148 4 135 142

Предлагаемый новый состав позволяет получать стабильный однофазный борированный слой с незначительным изменением по глубине при неоднократном использовании порошковой смеси. Количество дефектов упрочненного однофазного слоя уменьшилось до трех раз по сравнению с двухфазным борированным слоем.

Источники информации, принятые во внимание

1. А.с. № 986958 (СССР) МПК С23С 9/04. Состав для борирования / Л.Г.Ворошнин, Б.С.Кухарев, В.К.Терехов, В.В.Малафеев, В.И.Латышев, Л.Н.Вайсман, Н.Г. Кухарева // Опубл. 7.01.83 в БИ №1.

2. А.с. № 920079(СССР) МПК С23С 9/04. Состав для борирования стальных изделий / Б.С.Кухарев, С.Н.Левитан, Г.В.Борисенок, С.Е.Ващев // Опубл. 15.04.82 в БИ №14.

3. А.с. № 442238 МПК С23С 9/04. Состав для борирования стали / В.Н.Ткачев, В.Д.Власенко, Б..Н.Поляков // Опубл. 5.09.74 в БИ №33.

4. А.с. № 908943 МПК С23С 9/04. Состав для борирования стальных изделий / Г.Д.Габицкая, Н.М.Колесник, В.Н.Товпыга, В.Г.Федан, О.Л.Шерман // Опубл. 28.02.82. в БИ №8.

5. А.с. № 1712462 МПК С23 8/70. Порошкообразный состав для борирования стальных изделий / Г.И.Янцен, В.И.Астащенко, Е.И.Сергеева, А.И.Федоров, Н.И.Пичурин, М.И.Голубятников // Опубл. 15.02.92 в БИ №6.

6. А.с. № 1627587 МПК С23 8/70. Состав для борирования стальных изделий / С.В.Ивановский, Г.И.Янцен, В.И.Астащенко, А.И.Федоров, В.Г.Шибаков, В.А.Калаганов, Н.В.Усманов // Опубл. 15.02.91 в БИ №6.

7. Патент 2413034 МПК С23С 8/70. Порошкообразный состав для борирования стальных изделий / В.А.Игонин, А.И.Игонин, В.О.Соколов, Е.А.Резник // Опубл. 27.02.2011 в БИ №6.

Изобретение относится к химико-термической обработке сталей в порошковых средах и может быть использовано для повышения эксплуатационных показателей деталей из конструкционных сталей, применяемых в машиностроении. Состав порошковой смеси для борирования содержит компоненты при следующем соотношении, мас.%: карбид бора 56-60, железная окалина 24, древесно-угольный карбюризатор 15-19, натрий углекислый 1. Обеспечивается стабильное качество поверхностей стальных деталей при борировании за счет снижения внутренних напряжений за счет формирования однофазного диффузионного слоя из диборида железа Fе₂B. 2 табл., 1 пр.

Состав гетерогенной порошковой смеси для борирования стальных деталей, содержащий карбид бора и древесно-угольный карбюризатор, отличающийся тем, что он дополнительно содержит железную окалину и натрий углекислый при следующем соотношении компонентов, мас.%:

карбид бора 56-60 железная окалина 24 древесно-угольный карбюризатор 15-19 натрий углекислый 1