СОСТАВ ГЕТЕРОГЕННОЙ ПОРОШКОВОЙ СМЕСИ ДЛЯ БОРИРОВАНИЯ СТАЛЬНЫХ ДЕТАЛЕЙ
COMPOSITION OF HETEROGENEOUS POWDER MIXTURE FOR BORATING STEEL PARTS

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.
2
2
3
3
4
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 (NaCO), кальций углекислый (CaCO), калий марганцово-кислый (KMnO), тетрафтороборат калия (KBF) 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.
2
3
Применение высокоглиноземистого коррозионностойкого цемента (ВГКЦ - 75-0,5) на основе алюминатов кальция (изготавливается по техническим условиям ТУ 5737-006-00284345-99) с содержанием 75%  AlO и 20% CaO позволяет предохранить порошковую смесь от спекания и налипания ее компонентов на поверхности борируемых деталей.
2
Древесноугольный карбюризатор (ДУ) обеспечивает формирование газовой среды двуокиси углерода (CO), которая предохраняет порошковую смесь от окисления.
2
2
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 FеB. Коэффициент линейного расширения этих фаз различен, а это вызывает при охлаждении возникновение значительных напряжений в поверхностных слоях металла. Наибольшее увеличение объема диборида FеB 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.
2
Техническим результатом заявляемого изобретения является достижение стабильного качества поверхностей деталей за счет снижения внутренних напряжений при борировании путем формирования однофазного диффузионного слоя из диборида FеB.
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. %:
4
карбид бора (ВС)                                   – 56-60;
3
4
железная окалина (FеО)                       – 24;
древесноугольный карбюризатор (ДУ) – 15-19;
2
3
натрий углекислый  (NaCO)                 – 1.
3
4
4
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 (FеО) активно взаимодействует с карбидом бора (ВС), 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.
2
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 FеB.
2
Присутствие в диффузионном слое металла только диборида FеB 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.
4
2
4
2
Определим условия формирования однофазного боридного слоя для разработки состава порошковой среды, обеспечивающей процесс однофазного борирования из смеси, содержащей карбид бора (ВС) 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 FеB и FeB. Практически для всех сталей и железа отмечается общая закономерность уменьшения количества моноборида FeB с увеличением в гетерогенной порошковой смеси (ВС 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 FеB на поверхности металла борируемых деталей.
2
2
Поэтому порошковая смесь из карбида бора и 20-25% (по массе) древесноугольного карбюризатора обеспечивают стабильное образование на поверхности металла однофазного боридного слоя FеB. При этом возникает газовая среда из двуокиси углерода (CO), 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.
2
2
В однофазном диффузионном боридном слое FеB невозможно возникновение трещин параллельных поверхности металла, которые обычно возникают на границе FеB - FеB 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).
2
3).
2
3
2
3
Максимальная толщина однофазного боридного слоя достигается в порошковой смеси с добавкой 1% натрия углекислого (NaCOДальнейшее увеличение содержания окисляющей соли  NaCOприводит к снижению толщины однофазного боридного слоя, что объясняется повышением концентрации оксида бора (ВО) 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.
4
Для получения качественной  порошковой смеси все компоненты просушивают, а карбид бора (ВС 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:
4
карбид бора (ВС)                                   – 56-60;
3
4
железная окалина (FеО)                       – 24;
древесноугольный карбюризатор (ДУ) – 15-19;
2
3
натрий углекислый  (NaCO)                 – 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.
2
3
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  ВО и протекает реакция:
2
3
2
2
2
2 ВО → 2 ВО + О .
2
2
Носителем активных атомов бора являются пары  ВО, которые достигают поверхности детали и образуют атомарный бор «В» по реакции:
2
2
2
3
3 ВО→ 2 ВО + 2В .
2
Атомарный бор диффундирует в поверхность металла, и химически связываясь с железом, образует борид железа FеB.
2
Таким образом, на поверхностях пластин штампов, установленных  в контейнеры, возникает однофазный диффузионный слой из тетрагонального борида железа FеB, 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 составFeB + Fе<sub>2</sub>B
Новый составFе<sub>2</sub>B
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.