Теория и технология борирования

Министерство образования и науки Российской Федерации 
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение  
высшего профессионального образования

«Российский государственный профессионально-педагогический университет»

Машиностроительный институт

Кафедра материаловедения, технологии контроля в машиностроении и методики профессионального обучения

 

 

 

Реферат:

«Теория и технология борирования»

 

Выполнил:

студент гр.ТО -201                                                              Полевов А.О.

 

Проверил:

Док.техн.наук.                                                                       Гузанов Б.Н.

 

 

 

 

 

Екатеринбург 2013г

 

Оглавление

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение.

Анализ особенностей износного разрушения различных типов диффузионных

покрытий показывает, что наиболее высокая износостойкость обеспечивается в результате борирования .

Борирование — насыщение поверхностных слоев металла и сплавов бором.

Цель борирования: повышение износостойкости сталей, их коррозийной стойкости в различных агрессивных средах.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Борирование.

Борирование — процесс химико-термической обработки, диффузионного насыщения поверхности металлов и сплавов бором при нагреве и выдержке в химически активной среде. Борирование приводит к упрочнению поверхности.

Борирование проводят преимущественно с целью повышения износостойкости (в условиях сухого трения, скольжения со смазкой и без смазки, абразивного изнашивания, фреттинг-коррозии). Борирование повышает также коррозийную стойкость железоуглеродистых сплавов во многих агрессивных средах и жаростойкость при температурах ниже 850 С0.

Борирование можно проводить всеми известными методами и способами. Промышленное применение получили: борирование в порошковых смесях, электролизное борирование, жидкостное безэлектролизное борирование, ионное борирование и борирование из обмазок (паст).

Борирование чаще всего проводят при электролизе расплавленной буры (Na2B4O7). Изделие служит катодом. Температура насыщения 930—950 °C, выдержка 2 — 6 часов.

Борирование можно проводить при отливке деталей. В этом случае на поверхность литейной формы наносится слой специальной боросодержащей массы (пасты). При использовании выжигаемых моделей из пенопластов боросодержащая паста наносится на поверхность модели. Способ отличается производительностью и простотой.

Борирование применяют для повышения износостойкости втулок грязевых нефтяных насосов, дисков пяты турбобура, вытяжных, гибочных и формовочных штампов, деталей пресс-форм и машин литья под давлением. Стойкость деталей после борирования увеличивается в 2 — 10 раз. Изделия, подвергшиеся борированию, обладают повышенной до 800 °C окалиностойкостью и теплостойкостью до 900–950 °C. Твердость борированного слоя в сталях перлитного класса составляет 15 000–20 000 МПа.

Технология борирования.

Перед борированием поверхность изделий очищают от следов окалины, ржавчины, смазки и других загрязнений. Незначительные загрязнения можно удалить ветошью, смоченной бензином, керосином, уайт-спиритом и другими растворителями. Для удаления окалины, ржавчины и др. применяют специальные методы очистки: химические (травление в растворах кислот и щелочей), электрохимические (анодное травление) и механические (шлифовка на станках, гидропескоструйная очистка, галтовка,

крацевание и т. д.). (Острые нерабочие кромки изделий перед борированием желательно скруглить (притупить). Неподлежащие борированию участки детали необходимо защитить от насыщения.

 Рассмотрим классификацию  существующих методов и способов  борирования.

При рассмотрении методов диффузионного борирования следует учитывать их

технологичность, производительность (скорость насыщения), экономическую эффективность.

Классификация методов борирования

1.Борирование в порошках  в герметизируемых контейнерах

В качестве насыщающих сред при этом способе борирования можно использовать порошки аморфного и кристаллического бора, карбида бора, ферробора, боридов переходных металлов. С целью предотвращения спекания порошков в них часто вводят инертные добавки (А1203, MgO) в количестве от 20 до 60% , а для ускорения процесса - активаторы (NaF, A1F3, KBF4 и др.) в количестве 1-5% от массы смеси.

Из известных смесей для борирования в порошках предпочтение следует отдать следующим смесям на основе карбида бора:

1) 100 % В4С; 2) 98,5...98 % В4С + 1,5...2,0 %A1F3.

Перед использованием компоненты порошковых смесей подсушивают, измельчают, просеивают, дозируют в необходимых количествах и смешивают. Карбид бора передтупотреблением рекомендуется прокаливать при температуре 350-400°С в течение 1,5-2 ч. Отработанные смеси регенерируются путем добавления 20-30% свежей смеси. Температура формирования плавкого затвора должна находиться в пределах 500-700°С.

Насыщение проводят при температуре 900-1000°С в течение 2-6 ч. Длительность выдержки выбирают исходя из требуемой толщины боридного слоя. Как показывает опыт, для подавляющего большинства изделий боридный слой толщиной 80-150 мкм оказывается вполне достаточным. Длительность прогрева тигля устанавливается из расчета 30 мин на 100 мм сечения тигля.

После истечения времени выдержки контейнеры выгружают из печи, охлаждают на воздухе и распаковывают. С целью устранения припекания смеси к поверхности деталей рекомендуется их извлекать из контейнера при температуре не ниже 80°С.

 

 

2. Газовое борирование

Газовое борирование проводят в специальных установках за счет разложения газообразных соединений бора: диборана (В2Н6), треххлористого бора (ВСl3), трехбромистого бора бора (ВВr3), триметил [(СН3)3В] и других веществ.

В технологическом отношении процесс газового борирования подобен процессам газовой цементации или азотирования. Борируемые детали собирают, как правило, на специальных приспособлениях и загружают в реакционную камеру, нагретую до заданой температуры, после чего реактор герметизируя установку продувают (3-5мин) инертным газе и создают избыточное давление (200-400 мм. рт. ст.). После достижения указанного давления через инжекторный смеситель в реактор подают борсодержащий газ. Наиболее часто для борирования применяют диборан и треххлористый бор, который разбавляют водородом, аргоном, очищеным азотом или аммиаком. Наибольшая скорость процесса наблюдается при использовании смесей В2Н6 и ВС13 с водородом. Соотношение диборана и

водорода должно быть в пределах 1/25-1/225, а треххлористого бора и водорода - 1/15-1/20[5]. Замена водорода азотом или аммиаком уменьшает скорость процесса, но уменьшает и его взрывоопасность, поэтому такую замену следует считать целесообразной.

Насыщение прoводят при температурах 800-850°С. Время выдержки варьируется от 2 до 6 ч. Существенное влияние на результаты борирования оказывает скорость газового потока. Для каждой установки она подбирается индивидуально. При рекомендованных режимах борирования на углеродистых сталях формируется боридный слой толщиной 50-200 мкм. По окончании процесса борирования подачу борсодержащего газа прекращают, а газ-разбавитель пропускают через установку еще 5-10 мин. По истечении указанного времени давление в реакторе уменьшают до атмосферного, прекращают подачу инертного газа, разгерметизируют установку и извлекают борированные детали.

 

3. Электролизное борирование

 

Электролизное борирование проводят на специальных установках, основными составными частями которых являются печь-ванна с металлическим тиглем, система питания постоянным током, система автоматического контроля и регулирования температуры.

Подготовленные к насыщению детали монтируют па специальных приспособлениях и подключают в цепь электролиза в качестве катода. Анодами служат графитовые (реже силитовые) стержни. Перед началом процесса детали прогревают в электролите 10-30 мин, затем включают ток электролиза, величина которого устанавливается из расчета 1 • 103...2 •103 А/м2 борируемых деталей и приспособления, и ток защиты тигля 1 • 102...2 • 102 А/м2 поверхности тигля, находящейся в расплаве[3]. Режим процесса электролизного борирования выбирают в зависимости от требуемой толщины слоя.

Электролизное борирование применяется преимущественно в массовом производстве при обработке однотипных изделий.

 

 

4. Жидкостное (безэлектролизное) борирование

Жидкостное (безэлектролизное) борирование можно проводить в любых печах-ваннах, обеспечивающих получение требуемой температуры. Обычно для этих целей применяют те же печи, что и для электролизного борирования. В качестве насыщающих сред используют расплавы на основе боратов щелочных металлов (преимущественно Na2B407), в которые добавляют электрохимические восстановители: химически активные элементы (Al, Si, Ti, Са, Мn, В и др.) или ферросплавы, лигатуры и химические соединения на их основе - ферромарганец (ФМн95), силикомарганец (СМн17), силикоциркоиий (СиЦр50), карбид бора (В4С), карбид кремния (SiC), силикокальций (СК25). Указанные вещества вводят в расплав в виде порошка с размером частиц 0,05-0,6 мм (в зависимости от природы и удельной массы восстановителя).

Оптимальное содержание восстановителя в расплаве колеблется от 20 до 40% по массе.

Для получения двухфазных (FeB + Fe2B) слоев можно рекомендовать следующие расплавы: 1) 60-70 % Na2B407 + 40-30 % В4С; 2) 80 % Na2B407 + 20 % СК25, а для получения однофазных (Fe2B) слоев: 1) 70 % Na2B407 + 30 % SiC; 2) 70 % Na2B407 + 30 % СМн17.

Наиболее рационально применение данного способа борирования в мелкосерийном и серийном производствах.

5. Борирование в обмазках (из паст)

Борирование в обмазках (из паст) целесообразно применять при упрочнении крупногабаритных изделий, а также при необходимости местного борирования. Развитие этого направления в борировании стимулируется также возможностью совмещения борирования с применяемыми на предприятиях режимами термической обработки упрочняемых деталей.

Технология процесса борирования из паст предусматривает выполнение следующих операций: приготовление обмазки, подготовка упрочняемой поверхности к насыщению, нанесение и сушка обмазки, борирование деталей по заданному режиму, охлаждение и очистка деталей от пасты. Основные компоненты пасты тщательно смешивают в специальных смесителях и разбавляют связующим до требуемой консистенции. В качестве связующих используют гидролизоваиный этилсиликат, жидкое стекло, сульфитно-спиртовую барду, декстриновый клей и т. д. Консистенция пасты определяется в основном выбранной технологией ее нанесения на детали: пульверизацией, окунанием, кистью.

После завершения режима насыщения детали охлаждают на воздухе или подвергают непосредственной закалке.

Методы и режимы борирования

 

Поскольку газовые среды наиболее активны, насыщение стали бором протекает в них интенсивнее, чем в других средах, и при более низких температурах. Поэтому газовое борирование совершеннее других методов насыщения бором, но его недостатками являются токсичность и взрывоопасность применяемых газов.

Борирование в смеси диборана и водорода.

При температурах выше 500° С диборан (В2Н6) почти полностью разлагается на активный бор и водород. После борирования в чистом диборане на поверхности стали образуется осадок бора, не успевшего продиффундировать в металл, и процесс насыщения замедляется. Поэтому применяется смесь диборана и водорода, взятых в соотношении. Расход смеси зависит от типа и размера установки. При рабочем объеме реактора 1000 см3 и нагреве образцов т. в. ч. рекомендуется подавать 75— ,100 л/ч смеси.

 

Выходящий из печи газ следует пропускать через воду, где неразложившийся диборан претерпевает гидролиз: 
 
В2Н6 + 6Н20 = 2В (ОН)3 + 6Н2.

Приведены результаты борирования в смеси В2Н6 + Н2 при 850° С. При температуре выше 850° С уменьшается сплошность слоя. Во многих случаях рекомендуется или ограничивать продолжительность борирования 3—4 ч, или после выдержки 2—3 ч подвергать детали диффузионному отжигу в продолжение 2—3 ч без подачи в реактор борирующей смеси (для улучшения сплошности слоя).

Борирование в смеси треххлористого бора и водорода.

В начальный момент (процесса хлористый водород, по-видимому, активизирует обрабатываемую поверхность, удаляя окисную пленку, но дальнейшее его воздействие приводит к заметному коррозионному разрушению обрабатываемой поверхности. Диффузионные слои в этом случае получаются рыхлыми и пористыми. Поэтому рекомендуется применять смесь треххлористого бора (ВСlз) и водорода в отношении 5: 100 и осуществлять процесс при температуре 850° С и выдержке не более 3—6 ч. При этом глубина борированного слоя на железе достигает 0,11—0,20 мм, а на стали, содержащей 0,4% С, 0,08—0,16 мм.

 

Химизм реакции борирования в смеси ВС13 и Н2 не выяснен. Предположение, что в результате взаимодействия треххлористого бора и водорода при высоких температурах образуется активный бор, не подтверждено экспериментально. Специально поставленные эксперименты показали, что при борировании может происходить замещение бора в галоидном соединении металлом основы. Это дает основание предполагать, что треххлористый бор не принимает непосредственного участия в процессе борирования, а является лишь исходным продуктом для образования химического соединения (диборана или какого-либо иного), выделяющего активный бор.

Газовое борирование можно также осуществлять с применением ВВг3 + Н2.

Борирование титана

 

Растворимость бора в а- и у-титане небольшая, и упрочнение при борировании происходит благодаря образованию на поверхности слоя боридов титана. 
 
Борирование титана осуществлялось в вакуумной печи в порошке бора или карбида бора и в ванне с расплавом буры (электролизное борирование). При электролизном борировании боридные слои образуются только при больших плотностях тока (1,0—2,5 а/см2). Однако при таких плотностях тока происходит сильное растворение титана и поверхность образцов бывает чаще неровной, а боридный слой неравномерным по толщине. Иногда все же удается получить равномерные слои глубиной до 0,025—0,03 мм с м.икротвердостью более Н^ 2500 (микротвердость TiB2 Н^ 3370 , микротвердость TiB и Т^В5 в литературе не приводится). Спектральным анализом в поверхностных зонах слоя, полученного при 1050° С за 3 ч, была обнаружено до 20% В, что немного превышает содержание бора в борзде TiB (18,4%). 
 
Микроструктура борированных слоев зависит от условий борирования и состава обрабатываемого сплава. В ряде случаев удавалось обнаружить двухслойные борные каемки. При этом внешнюю зону боридов предположительно можно отнести к бориду TiB2, а внутреннюю — к бориду TiB. 
 
Между слоем боридов и сердцевиной обнаруживается темная промежуточная зона той или иной ширины. Например, на сплавах титана с 5% хрома возникает широкая промежуточная зона, в 3—5 раз превосходящая по толщине боридную зону. Возможно, что промежуточной зоной является смесь фаз а + TiB, образовавшаяся при охлаждении из р- и а-твердых растворов вследствие уменьшения растворимости бора с понижением температуры. 
 
При борировании титана в смеси порошков карбида бора и буры (взятых в соотношении 84: 16) в потоке водорода при температурах 1100 и 1200°С и выдержках соответственно 8 и 4 ч были получены слои только с одним боридом TiB2 толщиной 8—9 мк и микротвердостью Н^ 2950—3100. 
 
Износостойкость титана, борированного в вакуумной печи в порошке аморфного бора, испытывалась на машине Шкода-Савина при нагрузке 5 кГ и скорости вращения диска 840 об/мин. Образцы испытывали при различном числе оборотов до образования углублений примерно одинакового объема.

 

 

ВЛИЯНИЕ СОСТАВА СТАЛИ  НА РЕЗУЛЬТАТЫ БОРИРОВАНИЯ

 

 

Влияние углерода 

 

В большинстве работ, посвященных этому вопросу, отмечается существенное снижение углеродом толщины боридного слоя. Однако количественные результаты разных работ довольно противоречивы. Это можно объяснить рядом объективных причин: различным набором сталей, большими интервалами (0,2%С и больше) по углероду между соседними экспериментально полученными точками, неизбежными колебаниями в химическом составе сталей по постоянным примесям (Si, Mn, S, Р, N, Н, О), а также влиянием их платочных характеристик (наследственной склонностью к росту зерна, загрязненностью неметаллическими включениями и т. д.). При строгой количественной оценке влияния углерода на скорость формирования боридного слоя влияние указанных побочных факторов необходимо исключить. Последнее может быть достигнуто исследованием влияния углерода на цементированных образцах армко-железа по методике, описанной в работе [4]. Электролизное борирование цементированных образцов проводили при 900°С, плотности тока 0,25 А/см2 в течение 2 ч. Полученные результаты приведены на рис. 1. Из них видно, что на кривой «Толщина слоя — содержание углерода» имеется два интервала интенсивного снижения углеродом толщины слоя: первый в области концентраций от 0,1 до 0,45%С и второй от 0,8 до 1,2%С и выше. Аналогичные результаты

получены при насыщении из порошковой смеси на основе ферробора [4].

Следовательно, способ борирования не изменяет характера влияния углерода на кинетику роста борированного слоя, а вносит лишь количественные изменения, связанные с различным фазовым составом образующихся диффузионных слоев. Это в свою очередь свидетельствует о том, что обнаруженные закономерности обусловлены не столько кинетикой самого борирования, сколько особенностями перераспределения углерода и процессе формирования боридного слоя. Как известно, углерод практически не растворим в боридных фазах и по мере формирования боридного слоя вытесняется в переходную зону. В переходной зоне углерод концентрируется преимущественно в подборидной зоне. По мере удаления от боридного слоя концентрация углерода быстро уменьшается (рис. 2).

В сталях с 0,1—0,4% С по мере увеличения содержания углерода максимальная концентрация углерода в подборидной зоне растет, а время ее достижения уменьшается. Толщина боридного слоя при этом довольно резко падает. В интервале концентраций от 0,5 до 0,8%С концентрация углерода

(и бора) быстро достигает  некоторой предельной величины (близкой  к пределу растворимости углерода и бора в аустените при температуре борирвания) и далее остается практически постоянной, т. е. устанавливается как бы равновесие между скоростью оттеснения углерода растущим боридным слоем и скоростью его диффузионного отвода в глубь стали. Так как с увеличением содержания углерода в стали коэффициент его диффузии в аустените увеличивается, то достижение предельных концентраций (бора и углерода) в сталях < 0,5 и 0,8%С разнится мало и толщина боридного слоя снижается незначительно.

При анализе влияния углерода на толщину слоя следует также иметь в виду, что с ростом углерода в стали скорость его диффузионного перераспределения, несмотря на увеличение коэффициента диффузии, должна замедляться вследствие уменьшения градиента концентрации углерода между подборидной зоной и сердцевиной стали. Все перечне ленные выше причины приводят к тому, что зависимость толщины боридного слоя от содержание углерода в интервале концентраций от 0,1 до 0,8%С имеет вид «кривой насыщения». При очень малых концентрациях углерода (от 0,04 до 0,10%) толщина боридного слоя практически не снижается, а иногда даже увеличивается.

Составы сред и режимы борирования сталей 

Состав насыщающей среды	Режим борирования		Глубина слоя, мм
	Т, °С	τ, ч
Борирование в твердых средах
B4C* + 2–4 % NH4Cl	950–1050	3–6	0,15–0,30
80 % B4C + 16–18 % Al2O3 + 2–4 % NH4Cl
79 % B4C + 16 % Na2B4O7 + 5 % KBF4
Борирование в жидких средах
Электролизное борирование
40 % расплавленная бура – Na2B4O7 + 50 % B2O3 + 10 % NaCl	950	2–3	0,15–0,3
Расплавленная бура – Na2B4O7	900–950	2–4	0,15–0,3
70 % Na2B4O7 + 30 % Na2SO4	600	4–6	0,015–0,025
Безэлектролизное борирование
60 % расплавленная бура – Na2B4O7 + 40 % В4С	100–1050	3–5	0,2–0,35
Около 80 % Na2B4O7 + 15–17 % NaCl + 6–7 % порошка бора	850	2–3	0,04–0,05
	900–950	2–4	0,1–0,25
Борирование в газообразных средах
В2Н2, разбавленный водородом в соотношениях от 1 : 25 до 1 : 150	800–850	2–4	0,1–0,2
BCl3 + H2 в соотношении 1:20	750–950	3–6	0,1–0,25

 

 
Свойства борированных сталей:

Ø Борирование уменьшает плотность железа и стали;

Ø борирование влияет на теплопроводность;

Ø борирование понижает магнитную проницаемость углеродистых

сталей;

Ø борирование увеличивает электросопротивление стали;

Ø борирование влияет на прочность стали;

Ø в результате борирования увеличивается жесткость стали при кручении;

Ø усталостная прочность борированной стали зависит от метода, способа и

режима борирования, химического состава стали и технологии после-

дующей термообработки;

Ø характером свойство боридных слоев является высокая твердость;

Ø борирование обеспечивает высокую износостойкость изделий;

Ø боридные слои обладают повышенной хрупкостью;

Ø борированые стали обладают самой высокой коррозийной стойкостью;

при борировании увеличивается кислотостойкость.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение

Борированные слои обладают высокой коррозионной стойкостью в растворах кислот (кроме азотной), солей и щелочей. Недостатком борированных слоев является их высокая хрупкость. Однако при соблюдении ряда условий (выбор правильной конструкции деталей без острых углов, абразивный характер износа, удаление продуктов износа с трущихся поверхностей и т. д.) бо-рирование является эффективным методом поверхностного упрочнения деталей.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список использованной литературы.

1. Гуревич Б.Г., Говязина Е.А. Электролизное борирование стальных деталей.
2. Ворошнин Л.Г. Борирование промышленных сталей и чугунов.
3.   Борисенок, Геннадий Владимирович, Васильев, Леонид Абрамович, Химико-термическая обработка металлов и сплавов : справочник.