Способ легирования поверхности отливок из железоуглеродистых сплавов боридами хрома
METHOD OF ALLOYING SURFACE OF CASTINGS FROM IRON-CARBON ALLOYS WITH CHROMIUM BORIDES

Изобретение относится к области литейного производства, а именно к способам формообразования отливок методом литья по газифицируемым моделям и может быть использовано для получения отливок из железоуглеродистых сплавов с поверхностным легированным слоем, содержащим бориды хрома.
Из уровня техники известен способ получения отливок литьем по газифицируемым моделям, при котором противопригарное покрытие наряду с огнеупорным наполнителем дополнительно содержит легирующие элементы (порошковый кремний) для улучшения обрабатываемости отливок (а.с. СССР №697244, МПК В22С 3/00, опубл. 15.11.1979, бюл. №42).
Недостатком данного способа является сложность в обеспечении равномерного распределения легирующих элементов и, как следствие, затруднение диффузии легирующих элементов в поверхностный слой отливок и сложность в получении равномерного легированного слоя на поверхности отливок.
Наиболее близким по технической сущности является способ модифицирования поверхности отливок (патент РФ №2391177 С2, МПК В22С 3/00, опубл. 10.06.2010, бюл. №16), включающий нанесение на поверхность модели из пенополистирола модифицирующих и легирующих поверхность отливок элементов виде пасты, краски или пудры с последующим нанесением противопригарного покрытия.
Недостатком данного способа является формирование легированного слоя на поверхности отливок за счет растворения, диффузии и массопереноса легирующих элементов в поверхностном слое, что не позволяет формировать легированный слой значительной толщины и заданного состава, поскольку процессы диффузии и образования фаз в значительной степени зависят от состава заливаемого расплава и сродства элементов расплава к легирующим компонентам.
Все это снижает универсальность способа.
Предлагаемый способ является более универсальным по отношению к прототипу.
Повышение универсальности предлагаемого способа выражается в возможности формирования легированного слоя значительной толщины (4÷8 мм) и заданного состава, независимо от марки заливаемого железоуглеродистого сплава, за счет протекания в данной легирующей композиции СВС-реакции (самораспространяющийся высокотемпературный синтез), которая обеспечивает, с одной стороны, формирование требуемого фазового состава, а с другой - хорошую адгезию легированного слоя к заливаемому железоуглеродистому сплаву. Способ осуществляется следующим образом.
Легирующую композицию, состоящую из смеси порошкообразных хрома и ферробора смешивают с клеевым связующим, после чего ее наносят на поверхность моделей из пенополистирола. Для протекания СВС между компонентами легирующей композиции при заливке моделей металлическим расплавом способ предусматривает использовать ферробор с содержанием бора не ниже 6% масс, поскольку меньшее количество бора не позволяет инициировать синтез. С целью регулирования состава легированного слоя способ допускает использовать порошкообразную смесь хрома и ферробора в отношении массы хрома к массе ферробора от 0,08 до 0,3. Отношение 0,08 позволяет формировать в легированном слое отливок наряду с боридами хрома и твердыми растворами системы железо-хром, также боридные составляющие железа. Отношение массы хрома к массе ферробора, равное 0,3 обеспечивает формирование преимущественно боридов хрома и твердых растворов системы железо-хром. Количество клеевого связующего выбирается исходя из требуемой толщины легированного слоя, и не превышает 90% от массы порошкообразной смеси хрома и ферробора. Применение легирующей композиции, содержащей более 90% клеевого связующего, приводит к значительному газовыделению при изготовлении отливок и формированию неравномерного и пористого легированного слоя. Для предотвращения изменений параметров модели способ предусматривает применять при изготовлении легирующей композиции клеевые составы, не взаимодействующие, в том числе не растворяющие пенополистирол (материал модели). В зависимости от требований, предъявляемых к отливкам, способ предусматривает нанесение легирующей композиции на модель локально, обеспечивая формирование легированного слоя на требуемых участках поверхности отливок.
Для расширения области применения способ предусматривает дополнительное введение к исходной порошкообразной смеси хрома и ферробора, порошкообразных компонентов в количестве, не превышающем 60% от массы исходной смеси. Большее количество добавок к легирующей композиции значительно затрудняет процесс СВС, что не позволяет формировать качественный легированный слой на поверхности отливок. С целью предотвращения дефектов в легированном слое, вызванных усадочными процессами в ходе синтеза между компонентами легирующей композиции, и улучшению физико-механических характеристик, способ предусматривает использовать в качестве добавок порошки металлов или сплавов. Для повышения износостойкости легированного слоя способ допускает применять в качестве добавки к легирующей композиции керамических порошков оксидов, нитридов, боридов, карбидов, силицидов. Использование в качестве добавки к легирующей композиции металлических и керамических порошков в различных сочетаниях обеспечивает повышение износостойкости легированного слоя в отливках без снижения его физико-механических характеристик. Для предотвращения изменений параметров модели способ предусматривает применять при изготовлении легирующей композиции клеевые составы, не взаимодействующие, в том числе не растворяющие пенополистирол (материал модели). В зависимости от требований, предъявляемых к отливкам, способ предусматривает нанесение легирующей композиции на модель локально, обеспечивая формирование легированного слоя на требуемых участках поверхности отливок.
После нанесения легирующей композиции на поверхность модели из пенополистирола и ее сушки, модели собирают в модельные блоки и окрашивают противопригарным покрытием. Сухие модельные блоки помещают в опоку, засыпают опорным материалом и заливают металлическим расплавом.
Примеры конкретного исполнения:
Пример 1. Легирующую композицию готовили путем смешивания порошкообразной смеси, состоящей из хрома и ферробора с содержанием бора 17% масс, взятых при отношении массы хрома к массе ферробора, равного 0,2 с клеевым связующим, составляющим 20% от массы порошкообразной смеси. Полученную легирующую композицию наносили на поверхность модели из пенополистирола слоем ~ 4 мм. Модели заливали расплавом стали 40X13. Полученные отливки содержали легированный слой, соответствующий толщине предварительно нанесенной на модели легирующей композиции. Фазовый состав легированного слоя содержит твердый раствор системы железо-хром, бориды хрома и железа, твердость структурных составляющих находится в пределах 950÷1080 HV, что превосходит твердость основного металла в ~ 2 раза.
Пример 2. То же, что в примере 1, только отношение массы хрома к массе ферробора в сухой порошкообразной смеси составляло 0,1. Модели заливали расплавом хромистого чугуна ЧХ 12 (12% Cr). Легированный слой на полученных отливках содержал большее количество боридов железа, по сравнению с легированным слоем, представленным в примере 1.
Пример 3. То же, что в примере 1, только к порошкообразной смеси хрома и ферробора добавляли никель, в количестве 20% от массы исходной смеси, легированный слой содержал наряду с боридными составляющими хрома и железа также твердый раствор системы железо-хром-никель и количество пор в нем было значительно меньше, чем у легированного слоя, представленного в примере 1.