СПОСОБ БОРОСИЛИЦИРОВАНИЯ СТАЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ
METHOD OF SILICON BORON COATING OF STEEL ITEMS

Изобретение относится к области металлургии, а именно к химико-термической обработке металлов и сплавов, и предназначается для повышения износо-, жаро- и коррозионной стойкости деталей машин, может использоваться на предприятиях металлургической, авиационной, химической, судостроительной, машиностроительной и других отраслей промышленности.
Известен способ боросилицирования стальных изделий, включающий нагрев и насыщение изделий в порошковой среде, содержащей следующие компоненты, мас.%: борный ангидрид 10-40, силикокальций 40-50, окись меди 10-20, фтористый алюминий 3-5, окись алюминия - остальное. При этом насыщение стального изделия ведут в течение 4 ч при температуре 900 и 1000°С (см. авт. св. СССР №977514, С23С 9/04, 1982).
Недостатками известного способа являются низкая скорость насыщения и плохое качество поверхности за счет образования окисной пленки и затруднения доступа газовой фазы непосредственно к поверхности изделия, в результате чего уменьшается интенсифицирующее действие меди.
Наиболее близким аналогом к заявляемому объекту является состав для боросилицирования стальных изделий, в описании которого раскрыт способ боросилицирования, включающий нагрев и насыщение стальных изделий в порошкообразной смеси и последующее их охлаждение. При этом порошкообразная смесь содержит следующие компоненты, мас.%: карбид бора 46-56, бура 6-10, кремний 26-34, порошок меди 7-11, хлористый аммоний 1-3. Насыщение стальных изделий ведут при температуре 900°С в течение 4 часов (см. авт. св. СССР №977513, С23С 9/02, 1982).
Недостатками указанного способа являются низкая скорость протекания процесса насыщения и плохое качество поверхности за счет слабой интенсивности образования активных атомов меди, в результате чего снижается интенсифицирующая и пластифицирующая способность меди, а также затруднения доступа газовой фазы непосредственно к поверхности металла.
В основу изобретения поставлена задача улучшения качества поверхности стальных изделий при одновременной интенсификации процесса боросилицирования.
Поставленная задача достигается способом боросилицирования стальных изделий, включающим насыщение изделий в порошкообразной смеси, содержащей карбид бора, кремний, хлористый аммоний и медьсодержащий компонент, причем насыщение проводят при 600-1200°С в псевдоожиженном слое в порошкообразной смеси, которая дополнительно содержит фтористый алюминий и корунд, а в качестве медьсодержащего компонента - окись меди при следующем соотношении компонентов, мас.%: карбид бора 5-35, кремний 1-20, окись меди 0,05-2, хлористый аммоний 0,05-1, фтористый алюминий 0,1-0,5, корунд 41,5-93,8, при этом перед насыщением изделия нагревают в псевдоожиженном слое в атмосфере аммиака до 450-550°С, проводят выдержку в течение 15-25 мин и откачивают газообразные продукты, а после насыщения изделия охлаждают.
Способ боросилицирования стальных изделий осуществляется следующим образом: предварительно готовят порошкообразную смесь для боросилицирования путем смешивания следующих компонентов, мас.%: карбида бора 5-35, порошка кремния 1-20, окиси меди 0,05-2, хлористого аммония 0,05-1, фтористого алюминия 0,1-0,5 и корунда 41,5-93,8. В реторту с указанной порошкообразной смесью загружают стальные изделия. Из реторты откачивают воздух, закачивают аммиак и осуществляют нагрев изделий одновременно с нагревом насыщающей порошкообразной смеси. В процессе нагрева при температуре порошкообразной смеси 450-550°С осуществляют выдержку стальных изделий в течение 15-20 минут, после чего откачивают газообразные продукты. Затем температуру повышают до температур боросилицирования 600-1200°С и осуществляют насыщение стальных изделий, после чего их охлаждают.
Карбид бора вводится в состав насыщающей смеси с целью получения на поверхности стальных изделий слоя, содержащего бориды железа.
Введение в состав насыщающей смеси карбида бора менее 5 мас.% приводит к нестабильности протекания процесса насыщения поверхности изделий бором, тем самым снижая толщину боросилицированных слоев. Увеличение содержания карбида бора более 35 мас.% приводит к спеканию насыщающей смеси, в результате чего ухудшается качество покрытия, а также нецелесообразно в целях экономии материала.
Кремний вводится в состав смеси с целью получения на поверхности изделий слоя, состоящего из силицидов железа.
Уменьшение содержания кремния менее 1 мас.% приводит к нестабильности процесса насыщения поверхности изделий кремнием, тем самым уменьшает толщину силицированного слоя. Увеличение содержания кремния более 20 мас.% нецелесообразно в целях экономии материалов.
Присутствие в составе смеси окиси меди позволяет получать активные атомы меди за счет химических реакций между компонентами смеси. При нагреве смеем до температур насыщения на поверхности изделий образуется легкоплавкая эвтектика Сu-В-Si. При этом создаются условия для более благоприятного протекания процессов диффузии атомов меди, бора и кремния в поверхность изделий.
Уменьшение содержания окиси меди менее 0,05 мас.% снижает стабильность процессов адсорбции и диффузии атомов меди в стальную поверхность, тем самым снижает скорость формирования боросилицированных слоев. Увеличение содержания окиси меди более 2 мас.% ухудшает технические свойства диффузионного слоя, снижая поверхностную твердость, а также ухудшает качество боросилицированной поверхности стальных изделий, образуя пористый слой меди на поверхности.
Хлористый аммоний вводится в состав смеси как активирующая добавка, позволяющая проводить процесс боросилицирования в псевдоожиженном слое без спекания насыщающей смеси.
Введение в насыщающую смесь хлористого аммония менее 0,05 мас.% приводит к нестабильности протекания процесса восстановления окиси меди, а также к нестабильности процесса переноса атомов бора, кремния и меди к насыщаемой поверхности, тем самым уменьшая насыщающую способность состава. Увеличение его содержания более 1 мас.% нецелесообразно в целях экономии материала.
Фтористый алюминий вводится как активирующая добавка, способствующая освобождению бора, адсорбции и диффузии его в стальную поверхность.
Уменьшение содержания в смеси фтористого алюминия менее 0,1 мас.% приводит к нестабильности протекания процессов освобождения атомов бора, адсорбции и диффузии его в стальную поверхность, что приводит к уменьшению насыщающей способности смеси и ухудшает качество покрытия. Увеличение его содержания более 0,5 мас.% нецелесообразно в целях экономии материала.
2
3
Корунд вводится в состав смеси для создания псевдоожиженного слоя. Создание псевдоожиженного слоя в заявляемом способе позволяет сократить время насыщения и время нагрева насыщающей среды, а также обеспечивает равномерный нагрев обрабатываемых изделий. При боросилицировании стальных изделий в псевдоожиженном слое при температуре 600-1000°С частицы заявляемой насыщающей среды контактируют с поверхностью металла во много раз интенсивнее, чем при обычном способе боросилицирования. В результате этого происходит очищение металлической поверхности изделия от пленки соединений ВО и ВСl и тем самым облегчается доступ газовой фазы непосредственно к поверхности материала. А поскольку процесс боросилицирования в псевдоожиженном слое протекает в основном за счет газофазного процесса, то вышеуказанный результат обеспечивает высокую скорость насыщения. При этом в заявляемом способе активность насыщающей среды в псевдоожиженном слое намного выше, чем при обычном порошковом боросилицировании, за счет особых свойств псевдоожиженного материала. Атомы активного бора и кремния адсорбируются на поверхности изделия значительно быстрее, чем происходит их диффузия в глубь металла. В связи с этим концентрация активных атомов бора и кремния на поверхности насыщаемого материала быстро возрастает до концентрации боридов железа и силицидов железа, а время на их образование значительно уменьшается, что приводит к интенсификации процесса боросилицирования при одновременном улучшении качества обрабатываемых изделий.
Химические реакции между компонентами смеси и аммиаком создают условия для увеличения активности смеси и улучшения качества боросилицированной поверхности.
После восстановления окиси меди присутствие аммиака в среде нецелесообразно, так как при дальнейшей нагреве это приводит к ухудшению качества боросилицированной поверхности стальных изделий. Поэтому после выдержки 15-25 минут производят откачку газообразных продуктов из реторты.
При времени выдержки 15-25 минут в интервале температур 450-550°С на поверхности стальных изделий образуется качественный слой меди. При температурах выдержки ниже 450°С снижается стабильность протекания процессов восстановления и адсорбции меди на поверхности изделий, что приводит к образованию пористого покрытия при дальнейшем нагреве до температур насыщения, что снижает качество покрытия. При температурах выдержки выше 550°С на поверхности изделий образуется пористое покрытие, что снижает качество покрытия.
При времени выдержки менее 15 минут в интервале температур 450-550°С процесс восстановления меди проходит не полностью, что приводит к образованию пористого покрытия при дальнейшем нагреве до температур боросилицирования, что снижает качество покрытия. Выдержка более 25 минут нецелесообразна, так как за время 15-25 минут процесс восстановления меди проходит полностью и на поверхности изделий образуется качественный плотный слой меди.
Все материалы используются в виде порошков.
ПРИМЕР. Образцы стали 45 диаметров 5 мм и длиной 50 мм подвергали боросилицированию предлагаемым и известным способами при соответствующих сопоставительных режимах с целью определения насыщающей способности состава и качества боросилицированного покрытия. Результаты металлографических исследований приведены в таблице.
Из приведенных данных следует, что боросилицирование стальных изделий предлагаемым способом по сравнению с прототипом улучшает качество обработанной поверхности изделий, сокращает время обработки в насыщающей смеси в 2-4 раза.