СПОСОБ БОРОХРОМИРОВАНИЯ СТАЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ
METHOD OF CHROME BORON COATING OF STEEL ITEMS

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 1,5-6,0, карбид бора остальное (см. авт. св. СССР №765398, С23С 9/04, 1980).
Недостатком известного способа является низкая скорость насыщения и плохое качество поверхности стальных изделий, за счет 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 борохромирование ведут при температуре 800-1000°С в течение 2-8 часов (см. авт. св. СССР №865968, С23С 9/04, 1981).
Недостатком известного способа является плохое качество поверхности 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.
2
2
Поставленная задача решается тем, что в известном способе борохромирования стальных изделий, включающем нагрев, насыщение 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 меди СuСl, в качестве хромсодержащего вещества - хлорид хрома СrСl, в качестве активатора - фтористый алюминий, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Карбид бора
1-30,0
Хлорид меди СuСl<sub>2</sub>
0,1-3,0
Хлорид хрома СrСl<sub>2</sub>
0,5-10,0
Фтористый алюминий
0,1-2,0
Корунд
55-98,3
нагрев и насыщение осуществляют в среде аммиака, причем в процессе нагрева при температуре 300-500°С осуществляют выдержку в течение 3-15 минут, а насыщение ведут при температуре 600-1200°С.
Способ борохромирования стальных изделий осуществляют следующим образом. Предварительно готовят порошкообразную смесь для борохромирования путем смешивания следующих компонентов, мас.%: карбида бора 1-30, хлорида хрома 0,5-10, хлорида меди 0,1-3, фтористого алюминия 0,1-2 и корунда 55-98,3. В реторту с указанной порошкообразной смесью загружают стальные изделия. Из реторты откачивают воздух, закачивают аммиак. Создают псевдоожижение рабочей смеси и осуществляют нагрев изделий, одновременно с нагревом насыщающей порошкообразной смеси. В процессе нагрева при температуре порошкообразной смеси 300-500°С осуществляют выдержку стальных изделий в течение 3-15 минут. Затем температуру повышают до 600-1200°С и осуществляют насыщение стальных изделий, после чего их охлаждают.
Карбид бора вводят в состав насыщающей смеси с целью получения слоя с содержанием боридов железа.
Введение в состав насыщающей смеси карбида бора менее 1 мас.% приводит к нестабильности протекания процесса насыщения стальной поверхности бором, что снижает скорость насыщения. Увеличение его содержания более 30 мас.% приводит к спеканию насыщающей смеси и образованию пористого поверхностного слоя изделия.
2
Присутствие в составе компонентов хлорида меди двухвалентной СuСl позволяет получать активные атомы меди за счет химических реакций между компонентами смеси. Медь, растворенная в стальной поверхности, ускоряет протекание процессов насыщения бором и хромом стальной поверхности.
Уменьшение содержания хлорида меди менее 0,1 мас.% приводит к нестабильности процессов адсорбции атомов меди на стальной поверхности, тем самым снижает скорость формирования борохромированных слоев. Увеличение содержания хлорида меди более 3 мас.% приводит к ухудшению качества борохромированной поверхности в результате образования пористых поверхностных слоев.
2
Присутствие в составе насыщающей смеси хлорида хрома двухвалентного СrСl позволяет получать активные атомы хрома за счет его восстановления в присутствии фтористого алюминия и аммиака.
Уменьшение содержания хлорида хрома менее 0,5 мас.% снижает стабильность протекания процессов адсорбции и диффузии атомов хрома в стальную поверхность, тем самым снижает скорость формирования борохромированных слоев. Увеличение содержания хлорида хрома более 10 мас.% ухудшает качество борохромированной поверхности стальных изделий, образуя пористый слой хрома на поверхности.
Фтористый алюминий способствует активизации процесса борохромирования и позволяет проводить процесс насыщения в псевдоожиженном слое без спекания смеси. Образующийся в процессе диссоциации фтористого алюминия фтор способствует образованию активных атомов хрома, меди и бора.
Уменьшение содержания фтористого алюминия в смеси менее 0,1 мас.% приводит к нестабильности протекания процессов восстановления карбида бора, хлорида хрома и хлорида меди, а также адсорбции атомов этих элементов к стальной поверхности, что приводит к снижению скорости насыщения. Увеличение его свыше 2 мас.% нецелесообразно в целях экономии материала.
Корунд вводят в смесь с целью создания псевдоожиженного слоя.
2
3
Применение псевдоожиженного слоя позволяет сократить время насыщения и время нагрева насыщающей смеси, а также обеспечивает равномерный нагрев обрабатываемых 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 ВO, и ВСl 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.
Химические реакции между компонентами смеси и аммиаком создают условия для увеличения активности смеси и повышения качества борохромированной поверхности.
При температуре выдержки 300-500°С и времени выдержки 3-15 минут происходят процессы восстановления и адсорбции атомов меди на поверхности с образованием качественного покрытия. При температуре выдержки ниже 300°С снижается стабильность протекания процессов восстановление и адсорбции атомов меди на поверхности изделий, что приводит к снижению скорости насыщения. При температуре выдержки выше 500°С ухудшается качество поверхности стальных изделий за счет образования пористого медного слоя.
При выдержке меньше 3 минут хлорид меди восстанавливается не полностью, поэтому при дальнейшем нагреве до температур насыщения (600-1200°С) происходит восстановление оставшейся части хлорида меди, и образование пористого слоя на поверхности изделий, что существенно снижает качество поверхности стальных изделий. При времени выдержки более 15 минут существенных изменений на стальной поверхности не происходит, поэтому такие выдержки нецелесообразны.
Насыщение при температурах борохромирования 600-1200°С позволяет получить на поверхности стальных изделий слои, состоящие из боридов железа и боридов хрома. При температуре борохромирования ниже 600°С образования боридов железа и боридов хрома не происходит, а нагрев изделий до температур выше 1200°С нецелесообразен вследствие образования пористого поверхностного слоя на изделии.
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 определения 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 повысить качество обработанной поверхности стальных изделий, сокращает в 2 раза время обработки их в насыщающей смеси.
Таблица
Состав, режим насыщения и результаты исследований
ПОКАЗАТЕЛИ ДЛЯ СПОСОБА
Прототип
ЗАЯВЛЯЕМЫЙ
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
Окись хрома, мас.%
6,9
-
-
-
-
-
-
-
-
-
Окись бора, мас.%
20,6
-
-
-
-
-
-
-
-
-
Алюминий, мас.%
22,5
-
-
-
-
-
-
-
-
Фтористый натрий, мас.%
1
-
-
-
-
-
-
-
-
-
Сера, мас.%
1
-
-
-
-
-
-
-
-
-
Карбид бора, мас.%
-
0,1
0,5
0,7
1
10
30
40
50
60
Хлорид хрома, мас.%
-
0,05
0,1
0,3
0,5
5
10
12
15
17
Хлорид меди, мас.%
-
0,005
0,01
0,02
0,1
1
3
4
5
6
Фтористый алюминий, мас.%
-
0,005
0,01
0,02
0,1
1
2
3
4
5
Окись алюминия (корунд), мас.%
48
99,84
99,38
98,86
98,3
83
55
41
26
12
Температура выдержки, °С
-
100
150
200
300
400
500
600
700
800
Время выдержки, мин
-
0,5
1
2
3
10
15
20
30
40
Температура насыщения, °С
950
350
400
500
600
950
1200
1300
1400
1450