Бористая сталь что это
Обновлено: 27.04.2024
Для повышения эксплуатационных свойств стали применяют различные способы обработки поверхности материала, в том числе технологию борирования.
Преимущества сталей с бором
- Высокая прочность в закаленном состоянии
- Формуемость: простота изготовления сложных конструкций и деталей в горячекатаном состоянии
- Пластичность и хорошая обрабатываемость резанием в горячекатаном состоянии
- Износостойкость: закаленная деталь прослужит дольше
- Вязкость и устойчивость к трещинам
- Хорошее сопротивление механическим нагрузкам
Описание
Бор добавляется в сталь в виде ферробора (~ 12-24% B). Поскольку в добавке ферробора отсутствуют защитные элементы, его обычно добавляют после добавления поглотителей кислорода. Также существуют патентованные добавки с поглотителями кислорода / азота – одна из них содержит 2% B плюс Al, Ti, Si. Кислород, углерод и азот реагируют с бором в стали с образованием B 2 O 3 ( триоксида бора ); Fe 3 (CB) ( боронцементит железа ) и Fe 23 (CB) 6 ( карбид бора железа ); и BN ( нитрид бора ) соответственно.
Закаливаемость
Растворимый бор располагается в сталях по границам зерен. Это замедляет превращения γ-α (превращение аустенита в феррит) за счет диффузии и, следовательно, увеличивает прокаливаемость с оптимальным диапазоном от ~ 0,0003 до 0,003% B. Кроме того , было обнаружено, что Fe 2 B выделяется на границах зерен, что также может замедлять γ-α преобразования. Считается, что при более высоких значениях B образуется Fe 23 (CB) 6 , который способствует зародышеобразованию феррита и, таким образом, отрицательно влияет на прокаливаемость.
Бор эффективен при очень низких концентрациях – 30 ppm B может заменить эквивалент 0,4% Cr, 0,5% C или 0,12% V. Также было показано, что 30 ppm B увеличивают глубину затвердевания (~ + 50%) в низколегированных сплавах. сталь – считается, что это связано с замедлением разложения аустенита до более мягких структур бейнита , феррита или перлита при охлаждении после аустенизации.
Присутствие углерода в стали снижает относительную эффективность бора в улучшении прокаливаемости.
При концентрации выше 30 ч / млн бор начинает снижать прокаливаемость, увеличивает хрупкость и может вызвать жаростойкость .
Фазовая диаграмма
Фазовая диаграмма Fe-B имеет две эвтектические точки – при 17% (моль) т.пл. 1149 ° C; и 63,5% бора, т.пл. ~ 1500 ° C. Имеется пик с температурой плавления при 1: 1 Fe: B и изгиб при 33% B, соответствующие FeB и Fe 2 B соответственно.
Считается, что растворимость бора в стали составляет 0,021% при 1149 ° C, снижаясь до 0,0021% при 906 ° C. При температуре 710 ° C только 0,00004% бора растворяется в γ-Fe ( аустенит ).
Борсодержащая сталь
Powerbase применяется для изготовления и ремонта элементов сельскохозяйственной техники.
Powerbase — высокопрочная марка стали, предназначенная для изготовления широкого спектра продукции и сложных конструкционных элементов, применяемых в сельскохозяйственном машиностроении и других отраслях промышленности.
Специальная термическая обработка, включающая закалку с последующим отпуском, позволяет производителю значительно улучшить комплекс свойств, в частности износостойкость, прочность и вязкость. В результате изделия, изготовленные из данной стали, могут подвергаться более высоким механическим нагрузкам при сохранении необходимого срока службы.
Оптимальная композиция химического состава в совокупности со специальной термической обработкой для стали марки Powerbase гарантирует получение необходимого уровня механических свойств, обеспечивающего эффективную работу вашего готового изделия.
Технология борирования
Основное назначение борирования поверхности – повышение износостойкости поверхности изделий при работе в агрессивных и абразивных средах при температурах до 800°С. Насыщение поверхностного слоя стали бором применяется для быстрорежущего и штамповочного инструмента, деталей дробильных и просеивающих машин, буровых установок и центробежных насосов.
Образование соединений бора приводит к некоторому изменению геометрических размеров детали, поэтому технологический процесс включает в себя механическую обработку поверхностей после образования упрочненного слоя. Ввиду высокой твердости и устойчивости к абразивам для обработки поверхностей используют шлифование и полирование поверхностей.
Технология борирования производится по различным методикам, применение которых диктуется особенностями производства и видами обрабатываемых изделий. Режим проведения процесса зависит от желаемой толщины покрытия и марки стали. Обычно борируемые стали содержат значительное содержание углерода и легирующих присадок. В перечень материалов, к которым применяется рассматриваемая технология, входят также изделия из нержавеющей стали.
Влияние легирующих элементов на глубину борированного слоя
Борированиерабочих органов сельскохозяйственного оборудования – современное решение дляэкономии времени и средств!
Борированнаясталь обладает высокой теплостойкостью (+900-950 °С) и жаростойкостью (+800°С), что выводит ее потребительские характеристики на принципиально новыйуровень. Материал активно применяется для изготовления сельскохозяйственных ипромышленных агрегатов. По уровню стойкости к износу борированная сталь несколькоуступает одинаковому по твердости металлу с термодиффузионным покрытием хрома,но это не умаляет ее других характеристик и не препятствует доминированию насовременном рынке сельхозтехники.
Среди ключевыхположительных качеств борсодержащей стали стоит отметить следующие:
· Высокаяпрочность поверхностного слоя
Сталь, которая подвергается закалке сприменением технологии борирования, – стойкий к механическим воздействиям,влаге, воздействию химических веществ, но при этом достаточно хрупкий материал.Борирование позволяет упрочить комплектующие механизмов и рабочие органысельскохозяйственных агрегатов, которые подвергаются интенсивным нагрузкам,предотвращает их абразивный износ.
· Стойкостьк коррозийным процессам
Борированная сталь проявляет достойнуюустойчивость к образованию коррозии под воздействием водных растворов кислот(кроме азотной). Стоит отметить, что наилучшим образом противостоять агрессивнойсреде при одной толщине слоя металла способны именно однофазные боридные слои,обладающие большей кислотостойкостью, чем те, что состоят из двух фаз. Квоздействию азотной кислоты боридные слои не устойчивы, но разрушение материалапроисходит менее интенсивно, чем при столкновении с агрессивной средой изделийиз неборированного металла.
Борированная сталь – теплостойкий и жаростойкийматериал, что, несомненно, является положительным моментом, который говорит впользу применения инновационной технологии.
Газовое борирование
Газовое борирование схоже с процессами цементации и азотирования сталей. Процесс проводят в печах в среде диборана (В2Н6), треххлористого бора (ВСl3), триметила – (СН3)3В или других борсодержащих веществ. Чаще применяют диборан и треххлористый бор, который разбавляют водородом, аргоном, азотом или аммиаком. Применение азота в качестве разбавителя сильно снижает взрывоопасность среды. Насыщение прoводят при температурах 800-900°С. Время выдержки составляет от 2 до 6 часов. Существенное влияние на результаты борирования оказывает избыточное давление насыщающей среды. При газовом борировании на углеродистых сталях формируется боридный слой толщиной 0,1-0,2 мм и твердостью 1800-200HV.
Бор: три самые популярные марки
Первопроходцем среди легированных бором марок стали для Метинвеста стала 30MnB5. Мариупольский металлургический комбинат имени Ильича начал выпускать эту марку в 2015 году. На украинском рынке она заменила «универсальную» советскую рессорно-пружинную марку 65Г, которую определенными способами обработки можно было приспособить и для сельхозтехники. В то же время в Европе аграрные машиностроители вовсю использовали низколегированные борсодержащие стали. И чтобы заменить вышедшую из строя деталь импортной техники, нужна была именно такая сталь. К тому же, после закалки и отпуска детали приобретают повышенную эксплуатационную стойкость – их ресурс в два-три раза выше по сравнению с продукцией из стали 65Г. Неудивительно, что украинские компании, которые тогда перешли на 30MnB5, сегодня выросли во флагманов отрасли.
Для предприятий, у которых технология закалки предполагает использование масла вместо воды, Метинвест в 2017-2018 годах освоил выпуск листа и рулонов из марки 38MnB5. Это более прочная и износостойкая сталь, которую можно калить в масле, как и 65Г. Таким образом, компании могут перейти на высокопрочный металл без больших затрат, минимально изменив технологию.
Тройку самых популярных борсодержащих марок сталей от Метинвеста замыкает 27MnCrB5. Этот сплав дополнительно микролегирован хромом и марганцем, что обеспечивает еще лучшую прокаливаемость и более высокую прочность при низком содержании углерода. Прокат из такой стали особенно удобен для изготовления деталей, которые нужно сваривать.
В 2015-2018 годах Метинвест выпустил 23,5 тыс. тонн проката из борсодержащих марок стали.
Сегодня прокат из борсодержащей стали в Украине производят ММК имени Ильича и «Азовсталь», в Италии – Trametal и Ferriera Valsider. Метинвест реализует эту продукцию производителям сельскохозяйственного и промышленного машиностроения Украины и СНГ, а также стран Западной и Центральной Европы.
Использует
Стали, легированные бором, включают углеродистые, низколегированные, включая HSLA , углеродисто-марганцевые и инструментальные стали. Из-за высокого поглощения бором нейтронов бор добавляется в нержавеющую сталь, используемую в ядерной промышленности, – до 4%, но чаще от 0,5 до 1%.
Борсодержащие стали находят применение в автомобильной промышленности, как правило, в качестве укрепляющих элементов, таких как дверные коробки и регулируемые сиденья. С середины 2000-х годов он широко использовался европейскими производителями автомобилей. Внедрение элементов из борсодержащей стали создало проблемы для спасателей на месте происшествий, поскольку их высокая прочность и твердость противостояли многим обычным режущим инструментам (гидравлическим ножницам), которые использовались в то время.
Плоская борсодержащая сталь для автомобильной промышленности подвергается горячей штамповке в охлаждаемых формах из аустентного состояния (полученного нагревом до 900-950 ° С). Типичная сталь 22MnB5 показывает увеличение прочности на разрыв в 2,5 раза после этого процесса по сравнению с базовым значением 600 МПа. Штамповка может производиться в инертной атмосфере, в противном случае образуется абразивная накипь – в качестве альтернативы можно использовать защитное покрытие Al-Si. (см. алюминированную сталь ). Введение высокой прочности на разрыв горячей штамповке мягкого марганца бора стали (22MnB5) (до доказательства прочности 1200MPa, предел прочности на разрыв 1500MPa) позволило экономии веса через вниз замер в европейской автомобильной промышленности.
Борсодержащая сталь используется в скобах некоторых замков для обеспечения устойчивости к порезам. Навесные замки из борсодержащей стали с достаточной толщиной скобы (15 мм и более) обладают высокой устойчивостью к ножовке, болторезам и ударам, хотя их можно сломать угловой шлифовальной машиной.
Смотрите также
Связаться
с нами
Ответим на ваши вопросы
о производстве и переработке
металлопроката, его свойствах
и особенностях применения.
Бористая сталь что это
Содержание бора во многих современных конструкционных сталях незначительно (0,001-0,02%), что скорее соответствует понятию примеси, а не легирующей добавки. Применение борсодержащих сталей положило начало учению о микролегировании сплавов. Небольшие добавки бора вызывают значительное измельчение зерен, резкое улучшение прокаливаемости, повышение жаропрочности в результате упрочнения границ зерен боридами. Возрастает твердость и износостойкость, горячая пластичность слитков, улучшается свариваемость жаростойких аустенитных сталей. Кроме того, бор повышает критическую точку Ac3, и чем ниже содержание углерода, тем сильнее влияние бора (рис. 3). На положение нижней критической точки Ac1 бор влияния не оказывает.
Интересно влияние бора на кристаллизацию стали.
Модифицирование бором увеличивает скорость зарождение центров кристаллизации, уменьшает степень переохлаждения стали и повышает скорость ее затвердевания, что особенно важно при повышении производительности непрерывной разливки стали. Согласно, введение бора до 0,1% резко снижает поверхностное натяжение стали. Этот эффект приводит к адсорбции бора на границах растущих зерен и замедлению линейной скорости роста кристаллов и, в соответствии с этим, к измельчению структуры. Зона столбчатой кристаллизации сокращается, структура становится однородной и мелкозернистой, улучшаются пластические свойства. Дальнейшее увеличение концентрации бора вызывает образование бористой составляющей эвтектического характера и охрупчивание.
Специфическое влияние бора на прокаливаемость связано с изменением в границах зерен. В.И. Архаров установил поверхностную активность (горофильность) бора относительно железа, Будучи растворен в малом количестве, бор распределяется неравномерно, сосредоточиваясь по границам зерен. Так как атомы бора меньше атомов железа, то бор, занимая свободные вакансии по границам зерен, не увеличивает, а уменьшает искаженность кристаллической решетки и тем самым повышает работу зародышеобразования новой фазы (в данном случае это феррит, который легче всего возникает в местах с наиболее искаженной кристаллической решеткой, обладающих наибольшим числом вакансий, т.е. по границам зерен и их стыках).
Известное влияние на торможение образований феррита по границам зерен в бористых сталях оказывает также прочность связей атомов B-C, которые замедляют обеднение границ зерен аустенита углеродом. Повышение содержания углерода в бористой стали оказывает нейтрализирующее влияние на ее прокаливаемость, что обусловлено образованием карбидов бора и карбоборидов. Переход бора по границам зерен из твердого раствора в химическое соединение снижает его влияние на прокаливаемость стали. Выпадение по границам зерен мелкодисперсной боридной фазы также способствует понижению прокаливаемости в результате искажения решетки и зародышевого действа мелких частиц этой фазы. Кроме того, увеличение содержания в стали углерода снижает возможное количество феррита, уменьшает зону влияния бора и тем самым эффективность его воздействия на прокаливаемость. Согласно рис. 4, наибольшее усиление прокаливаемости под влиянием бора наблюдается для низкоуглеродистой доэвтектоидной стали. Максимальная прокаливаемость наблюдается у стали, содержащей 0,8% С. Для заэвтектоидных сталей эффект влияния бора отрицательный. Для сталей с 0,4-0,75% С действие бора снижается пропорционально содержанию углерода в стали. Коэффициент усиления прокаливаемости углеродистых и низколегированных сталей (Fв) под влиянием бора может быть выражен уравнением
Из этого выражения следует, что бор не влияет на прокаливаемость стали с содержанием углерода 0,9% и выше, но обладает значительной эффективностью в малоуглеродистой стали. Следует заметить, что несмотря на увеличение прокаливаемости, бор не оказывает влияния на образование трещин при закалке.
Эффективность влияния бopa снижается и с возрастанием температуры нагрева под закалку. При повышенной температуре увеличивается растворимость бора и в результате поверхностной активности концентрация в граничных зонах увеличивается вплоть до значений, превосходящих максимально возможную растворимость бора в аустените с выделением избыточной фазы Fе2B . По этим же причинам наблюдается экстремальное влияние возрастающего содержания бора в стали на ее прокаливаемость. Увеличение содержания бора свыше 0,004% уже не сказывается на прокаливаемости и даже несколько уменьшает ее.
Интервал оптимальных концентраций бора весьма узок и в основном находится в пределах 0,001-0,0025%. В этих количествах действие бора эквивалентно действию присадки 1,33% Ni + 0,31%Сr + 0;04% Mo. Как указывается, действие 0,002% В на прокаливаемость равнозначно влиянию 1,5% Ni . Эквивалентное содержание бора различно для разных сталей и зависит от состава и соотношения элементов (табл. 2).
Добавка бора к легированным сталям позволяет значительно снизить степень их легированности такими элементами, как хром, никель, марганец и молибден, при одновременном сохранении необходимого уровня прокаливаемости и других механических свойств. Добавка бора до 0,003% увеличивает предел упругости и позволяет создать новые борсодержащие рессорнопружинные стали 55ХГР и 55СГ2Р. Повышение содержания бора приводит к выделению боридной фазы и обеднению бором скоплений вокруг дислокаций, что снижает предел упругости.
Борсодержащие углеродистые стали с успехом заменяют марганцовистые, имеющие повышенную склонность к образованию трещин при термообработке. Замена марганцовистых сталей борсодержащими позволяет получить 10% экономии. По опыту Горьковского автомобильного завода добавка 0,002-0,005% В позволяет освободиться от дефицитных легирующих элементов - молибдена и никеля - и заменить дорогостоящую цементируемую сталь 20ХНМ, идущую на изготовление тяжелонагруженных деталей, более дешевой 20ХГР. Бористая сталь обладает более высокой прочностью и после цементации приобретает более высокую твердость. Цементированная поверхность содержит меньшее количество остаточного аустенита, что значительно повышает износоустойчивость и долговечность деталей из стали 20ХГР.
Кроме увеличения прокаливаемости адсорбционные слои бора затрудняют процесс растворения избыточных карбидов, например Сr23C6 в стали Х15Н25, при закалке и их выделение при старении. Образование адсорбционного слоя на границе раздела зерен сопровождается тем, что активные участки поверхностей раздела оказываются уже занятыми и процессы растворения карбидов при закалке, а также обратное выделение в результате миграции на внутренние поверхности при старении оказываются невозможными.
Легирование бором в пределах 0,4-0,7% аустенитных сталей с карбидным (Х18Н12Б) и интерметаллидным (10Х16Н25В5Ю2Т) упрочнением повышает прочностные свойства. Характеристики длительной прочности аустенитноборидных сталей при 650-700°С значительно превосходят таковые для аналогичных сталей без бора. Кроме того, для сталей с боридным упрочнением характерна высокая длительная пластичность, не уменьшающаяся с увеличением продолжительности испытаний. Высокая длительная пластичность аустенитно-боридных сталей (Х18Н12БР, Х15Н24В4Т2Р, 10Х16Н25В51 -02ТР) обусловлена высокой стабильностью структуры и свойств в процессе длительных выдержек при температурах 800-700 С.
Аустенитноборидные стали, в отличие от аналогичных сталей без бора, в результате более мелкого зерна и коагуляции упрочняющей фазы обладают высокой горячей пластичностью вблизи температуры солидуса. Эти стали благодаря наличию двухфазной аустенитно-боридной структуры не склонны к образованию горячих трещин в шве и околошовной зоне при сварке плавлением, борьба с которыми затруднительна при сварке жаропрочных аустенитных сталей. Так, легирование бором стали Х25Н2С8 в количестве 0,2-0,5% улучшает свариваемость, позволяет избавиться от околошовных горячих трещин, не снижая прочности при сохранении длительной пластичности.
Эффективность влияния бора на жаропрочные свойства сплавов объясняется упрочнением границ зерен боридами, образующимися в пограничных зонах. Растворимость бора в твердом растворе сплавов на основе железа незначительна. Вследствие горафильности бор скапливается у границ зерен, вызывает местное пересыщение твердого раствора и тем самым способствует образованию боридов на границах зерен даже при очень малой общей концентрации его в сплаве. При электронномикроскопическом исследовании тонкой фольги стали в ферритной оторочке по границам аустенитного зерна обнаружены бориды железа (Fe2B и FeB) уже при содержании в стали 0,0026% В. В легированных сталях по границам зерен бор образует сложные бориды типа (Mo, W, Cr, Ni)‘ х Bу и карбоборидные фазы (Cr, Fe)2 BC; (Cr, Fe)22 (В, С)6 и (Cr, Fe)23 (ВС)6. Таким образом, адсорбированная по границам зерен крипоустойчивая боридная фаза для малой толщины межзеренного вещества обеспечивает малые скорости ползучести.
Следует отметить, что влияние бора на изменение фазового состава легированных сталей заключается в основном в уменьшении растворимости легирующих элементов (например, хрома и вольфрама). Следовательно, легирование стали бором полезно только при малых его содержаниях, когда торможение пластической деформации, вызываемое выделением карбоборидных фаз, преобладает в упрочнении стали. При больших содержаниях бора значительная часть легирующих элементов, упрочняющих твердый раствор, связывается в карбоборидных фазах и поэтому не участвует в упрочнении твердого раствора. Наличие бора способствует некоторому перераспределению элементов. Так, присутствие бора в белом чугуне уменьшает растворимость хрома и марганца в цементите. В процессе отжига концентрация указанных элементов в цементите возрастает, бор при этом оказывает тормозящее влияние.
Существенный интерес представляет возможность улучшения деформируемости некоторых марок бористых сталей. Так, получение деформируемых нержавеющих сталей аустенитного класса ОХ18Н10РЗ и ОХ18Н6Г9РЗ, содержащих более 1,8% В, затруднено резким снижением пластичности, что исключает возможность горячей деформации в литом состоянии. Структуру этих сталей образуют хрупкие крупные бориды, напоминающие первичный цементит в заэвтектоидных белых чугунах.
Обработка такой стали в процессе кристаллизации ультразвуковыми колебаниями вызывает значительное измельчение боридной фазы во всех зонах слитка. Структура становится более однородной, что способствует повышению механических свойств и улучшению технологической пластичности. Появляется возможность ковки заготовок из стали, содержащей 3,5% В.
Недостаточно изучено в настоящее время распределение бора между фазами, особенно в сложнолегированных сталях. В системе Fe-B-Cr обнаружены фазы Fe2В и Сr2B, находящиеся в равновесии с чистым железом. Предел растворимости хрома в Fe2B составляет около 10%, а железа в Cr2B - около 60%. В системе Fе-B-Ni обнаружена фаза (Fе, Ni)2B. Соединения Fe2B и Ni2B образуют непрерывный ряд твердых растворов. Карбоборидная фаза найдена в системах Fe-B-Cr-C и Fe-B-Ni-С при 700°С, наиболее вероятный ее состав (Fe, Cr)23 (B,C)6. Соотношение атомных концентраций бора и углерода меняется от 0 до 2,5 в зависимости от содержания в сплаве бора, хрома и углерода. При повышении температуры карбоборидные фазы растворяются в аустените, остаются только бориды Fe2B И Cr2B.
В хромсодержаших сталях и сплавах в зависимости от содержания хрома и элементов, влияющих на изменении растворимости хрома, могут быть обнаружены бориды Сr2В и Cr5B3. Последний чаше находится в сплавах, содержащих алюминий, который уменьшает растворимость хрома. Борид Cr5B3 не содержит титана и алюминия. Высокой боридобразующей способностью обладает титан. Согласно, в стали ЭИ896 (10% Cr, 20%Ni 2-3% Ti и до 0,02% В) образуется борид титана Ti B2, а не борид хрома. По данным, большей, чем титан, боридобразующей способностью обладают вольфрам и молибден. При добавлении к стали ЭИ696 3% молибдена образуется борид на основе молибдена Me3B2. По данным химического анализа, металлическую основу составляют молибден, хром и примесь никеля. В стали ЭИ787, содержащей 3,0%W и не содержащей молибдена, также обнаружен борид (W,Cr который является фазой с широкой областью гомогенности с дефектом металлических атомов и практически не содержащей титана.
Снижение пластичности и ударной вязкости, укрупнение аустенитного зерна и способность его к росту при нагревании, а также возможность образования камчевидного излома представляют технические недостатки бористых марок сталей. Некоторые технологические мероприятия позволяют избежать указанных недостатков. Так, обработка бористых сталей ультразвуком и введение элементов, увеличивающих в структуре количество аустенита, повышают пластичность и ударную вязкость. Введение в сталь наряду с бором 0,02-0,03% Ti оказывает тормозящее воздействие на рост зерна при нагреве до 370°С. Увеличение содержания титана до 0,1-0,15% препятствует росту зерна во всем интервале температур нагрева (870-1200°С) при 1,5-часовой выдержке. Такое влияние титана можно объяснить барьерным действием различных его соединений, нерастворимых в аустените даже при очень высоких температурах.
Явления износа развиваются в тонких поверхностных слоях, имеющих глубину тысячные и сотые доли миллиметра, поэтому износостойкость деталей, упрочненных борированием, зависит не столько от глубины борированного слоя, сколько от его качества и структуры.
Опыт применения легированных сталей для изделий, подвергающихся интенсивному абразивному изнашиванию, показал отсутствие строгой зависимости между твердостью и износостойкостью. Лучшие результаты получаются, если принимаются во внимание структура и возможный характер разрушения. Например, углеродистые стали со структурой зернистого и пластинчатого перлита при одинаковой твердости (НВ 400 кГ/мм2) значительно различаются по износостойкости. Перлитно-карбидная структура обладает существенно худшей сопротивляемостью износу, чем аустенитно-карбидная. Так, стойкость пресс-форм для алмазно-абразивных инструментов, изготовленных из дисперсионно-твердеющих сталей и сплавов аустенитного класса, оказалась в 5-10 раз выше стойкости инструмента, изготовленного из карбидной стали ЗХ2В8.
Видимо, причиной более высокой сопротивляемости абразивному износу металлов с аустенитной основой является энергетически более вероятное образований трещин по плоскостям скольжения в объемноцентрированной решетке α-железа, чем в гранедентрированной решетке α-железа.
Исследование износостойкости стали после диффузионного насыщения карбидобразующими элементами также показало некоторое несоответствие твердости и износоустойчивости, хотя последняя хорошо соответствовала образующимся структурам. Так, несмотря на большую твердость поверхности стали после хромирования, вольфрамирования и молибденирования по сравнению со сталью, не прошедшей насыщение, износостойкость последней значительно выше (рис. 48). Структура диффузионного слоя во всех случаях представляла α-твердый раствор с выделениями по границам зерен карбидов и интерметаллидов. Именно наличием вторичных фаз различной природы по границам зерен твердого раствора, а также наличием текстуры и анизотропии свойств столбчатых кристаллов α-фазы я объясняется отсутствие ясно выраженной связи между износостойкостью и твердостью.
Износостойкость стали, прошедшей ванадирование, ниобирование и хромирование по режиму, обусловливающему образование карбидов, в десятки раз выше.
Имеются основания полагать, что при абразивном износе борированных изделий-происходит соприкосновение чистых поверхностей и граница раздела соприкасающихся тел (абразивного зерна и борированного слоя) принимает характер, обеспечивающий возможность атомного и электронного взаимодействия. Для объяснения причин быстрого износа и разработки мер повышения износостойкости целесообразно привлечь представления о формировании свойств простых веществ и соединений.
Существующие абразивные материалы являются ковалентными соединениями, образованными sp-элементами с широко меняющимся статистическим весом атомов со стабильными sp-конфигураииями. Так, при образовании корунда (Al2О3) наблюдается практически полная передача валентных (s2p) электронов алюминия атомам кислорода (s2p4) с образованием устойчивых sр-конфигураций и локализацией в этих конфигурациях практически всех валентных электронов, чем и объясняется высокая твердость и хрупкость корунда.
При образовании боридов железа происходит передача валентных электронов железа атомам бора с образованием устойчивых d5- и sp3-состояний. Высокий статистический вес стабильных конфигураций и малая доля нелокализованных электронов обусловливают относительно высокую хрупкость этих боридов.
При контакте абразивного зерна с борированной поверхностью в результате значительных локальных напряжений происходит хрупкое разрушение слоя боридов. Для того чтобы бориды железа могли выдерживать более высокие нагрузки, возникающие в процессе абразивного износа, им должна быть присуща некоторая способность пластически деформироваться. Повысить пластичность борида железа можно легированием его элементами, которые вызывали бы меньший захват электронов железа и большее время их пребывания в коллективизированном состоянии. В качестве таких элементов можно использовать, например, алюминий или бериллий с частичным замещением ими атомов бора.
Значительные успехи могут быть достигнуты при создании композиционных покрытий из хрупких соединений с ковалентной связью или подобных им интерметаллических соединений, заключенных в пластическую металлическую матрицу. В покрытии такого типа в результат пластической деформации матрицы приложенная нагрузка будет действовать преимущественно на хрупкую составляющую; с другой стороны, наличие хрупкой составляющей препятствует движению дислокаций и тем самым резко увеличивает степень упрочнений самой матрицы.
Мелкодисперсные композитные структуры получали борированием при 1174-1200° С с последующим резким охлаждением. При нагреве до 1174 С и выше на поверхности возникает жидкая фаза, состоящая из α-твердого раствора бора в железе и соединения Fe2В. Необходимая степень дисперсности эвтектических составляющих достигалась охлаждением в струе аргона и роде. Боридная составляющая в виде дискретных частиц равномерно и плотно распределяется по всему объему упрочненной поверхности.
Наиболее работоспособными оказались мелкодисперсные эвтектики, полученные закалкой из жидкой фазы. Среднее значение твердости составляет 800-1000 кГ/мм. В образцах доэвтектической структуры (избыток α-твердого раствора) наблюдалось явно выраженное пластическое течение поверхностного слоя. Линии скольжения и очаги схватывания в структуре закаленной эвтектики не обнаружены. Трение образцов заэвтектической структурой (избыток боридов) сопровождается растрескиванием поверхности и скалыванием частиц боридного слоя. Эти явления особенно интенсифицируются при повышении нормального давления.
Высокая работоспособность мелкодисперсной двухфазной структуры, полученной путем закалки жидкой эвтектики, обусловлена очень низкой хрупкостью, хорошей вязкостью, однородностью структуры и значительно более высоким сродством полученного слоя с металлом основы (в сравнении с чисто боридным покрытием). Эта структура выгодно отличается от известных металлокерамических композиций тем, что в мелкодисперсной эвтектике отсутствует пористость и другие нарушения сплошности материала. Кроме того, относительно пластичный твердый раствор при трении весьма быстро упрочняется в результате возникновения в нем высокой плотности дислокаций.
Абразивное изнашивание сталей, упрочненных электролитическим борированием, исследовали на машине Х4-Б. Относительную износостойкость ε определяли как отношение абсолютного линейного износа эталона ΔL к абсолютному линейному износу испытуемого образца Δl, Изнашивание осуществляли на шкурке из карбида кремния КЗ 14. Эталоном служили закаленная сталь 9ХС и сплав БМ (баббит). Результаты испытаний показали, что борирование стали резко повышает ее износоустойчивость при абразивном изнашивании (табл. 23). Содержание углерода и режим борирования сказываются на износостойкости незначительно.Отмечается высокая хрупкость борированного слоя и наличие в нем трещин. Возможно, именно эти факторы не позволяют получать более высокой износоустойчивости, которую можно ожидать исходя из твердости.
Определение износоустойчивости в зависимости от режима электролизного борирования проведено. Износостойкость определяли на лабораторной вертикальной машине X-1, имитирующей работу втулок грязевых насосов. Износ происходил при возвратно-поступательном движении обрезиненного металлического стержня в борированных втулках-образцах. Втулку и стержень во время опыта погружали в резервуар с водой, куда засыпали кварцевый песок крупностью 250 мк в количестве 5%. Износоустойчивость определяли по потере в весе ΔQ через определенное время или за определенное число двойных ходов. Обычно продолжительность одного испытания составляла 8 ч. На рис. 49 видно, что при повышении температуры свыше 900-950° С износоустойчивость снижается и не уменьшается при понижении температуры. От времени насыщения износостойкость практически не зависит. Наиболее благоприятная плотность тока равная 0,5-0,9 а/см2 (рис. 24). Интересно, что при плотности тока выше 0,1 а/см2 глубина слоя не увеличивается.
На рис. 50. показаны результаты испытания втулок, изготовленных из различных материалов. Исследовали борированные втулки из стали 40 (температура насыщения 950 С, время 4 ч, плотность тока 0,5-0,9 а/см ), втулки из модифицирнной током высокой частоты, сталей ШX15 и У10, хромированного чугуна, из улучшенной стали 40 (400-460 кГ/мм2), закале стали 45, азотированной стали 35Х10А и втулки, армированные бористым чугуном. Наибольшую износоустойчивость показали борированные втулки. Их стойкость в три раза выше обычных стальных и чугунных. I проведенные промышленные испытания подтвердили, что борированные втулки работают в тяжелых условиях в 3-3,5 раза больше обычных.
Наиболее высокой износостойкостью обладает борированная сталь 12ХН2А (см. рис. 52). Видимо, малое содержание углерода и наличие в этой стали хрома и никеля сказывается на износостойкости.
Таким образом, при правильном выборе стали, режима, абразивном характере износа борирование может оказаться весьма эффективным способом упрочнения.
Борирование стали
Для повышения эксплуатационных свойств сталей различных марок применяют различные способы обработки поверхности материала. В числе распространенных методик не последнее место занимает технология борирования. Суть технологии заключается в насыщении поверхностного слоя металла соединениями бора и железа FeB и Fe2B.
Насыщение поверхности металла солями бора резко повышает износостойкость изделий из-за высокой поверхностной твердости прошедшей технологию борирования стали. Различные методы обработки преследуют одинаковую цель – повысить износостойкость борированной стали как того требует специфика применения изделий.
Применяя изделия из углеродистой стали, насыщенной бором, можно в некоторых отраслях промышленности сократить расход дорогих легированных сталей, поскольку обработка даже такой марки стали как Ст3 позволяет увеличить износостойкость в абразивной жидкостной среде в десятки раз.
Образование соединений бора приводит к некоторому изменению геометрических размеров детали, поэтому технологический процесс включает в себя механическую обработку поверхностей после образования упрочненного слоя. Ввиду высокой твердости и устойчивости к абразивам для обработки поверхностей используют шлифование и полирование поверхностей.
Методы борирования стали
Большое разнообразие методов борирования стали позволяет использовать наиболее технологичные в каждом конкретном производстве. Наиболее распространенные методики таковы:
- В газообразной среде;
- В жидкой среде;
- В твердой среде.
В некоторых случаях насыщение бором производится непосредственно при отливке деталей. Такой способ позволяет существенно упростить технологический процесс изготовления деталей конструкции, не требующих высокой точности при окончательной обработке.
Перечисленные выше методики обработки включают в себя большое количество разновидностей, которые отличаются некоторыми нюансами.
Комбинированное борирование углеродистой стали
Жидкостное безэлектролизное борирование
Для жидкостного борирования применяются расплавы смесей, основной составляющей которых является тетраборат натрия (бура) с добавкой карбида бора, хлорида натрия и силиката марганца. Температура расплавленной массы составляет 900°С. Толщина обработанного слоя может составлять до 0.2 мм. Жидкостное борирование в расплаве имеет то преимущество, что глубина обработки не зависит от формы обрабатываемой поверхности. Из недостатков нужно отметить, что расплав активных веществ быстро истощается, при этом компенсация расхода отдельных компонентов затруднена, как и определение химического состава смеси.
Примеры применения технологии жидкостного борирования
Электролизное борирование
Сократить время процесса при жидкостном борировании помогает использование эффекта электролиза при прохождении электрического тока через обрабатываемую деталь и расплав. Процесс электролизной обработки проходит при небольших значениях плотности тока и тех же температурах расплавленного электролита, что и при простом жидкостном борировании. Хотя при таком способе используется только бура, недостатком является ее большой расход, поскольку часть бора при электролизе выпадает в виде аморфной массы, которая, кроме того, может образовывать дефекты на поверхности заготовки.
Снизить температуру расплава помогает введение фторосодержащих добавок – фторида и фторбората натрия.
Газовое борирование
Равномерное и однородное проникновение бора в поверхностный слой металла достигается при использовании метода газового борирования. Борирование деталей производится при температуре 850°С в среде газов, содержащих оксиды, галогениды и водородные соединения бора. Выделяющийся при термическом разложении газов атомарный бор, оседает на поверхности изделий и диффундирует вглубь металла.
Следует отметить, что некоторые борирующие смеси газов очень взрывоопасны, что накладывает ограничения на применение данной методики.
Борирование стали — диффузионное и жидкостное, технологии, достоинства и недостатки
Диффузионной металлизацией принято называть метод обработки сталей либо других металлов и сплавов, при которой поверхностный слой изменяется внедрением молекул других элементов. Все это происходит при очень высоких температурах в специальной среде. Результатом такой обработки является физическое укрепление слоя, а также повышение его жаростойкости, увеличение сопротивляемости процессу коррозии – поверхность менее изнашивается во время эксплуатации.
В отличие от нитроцементации и цианирования, где атомы углерода с азотом непосредственно внедряются в кристаллическую решетку стали, диффузионная металлизация предполагает более сложный процесс, когда атомы других элементов образуют со сталью так называемые растворы замещения, поэтому такой процесс длительный и требует применение более высоких температур, превышающих 1000 градусов по Цельсию.
Главное назначение борирования поверхности – увеличение стойкости к износу поверхности изделий во время работы в агрессивных и абразивных средах при температуре до 800°С. Изобилие слоя поверхности стали бором используется для быстрорежущего и штамповочного инструмента, деталей дробильных и просеивающих машин, буровых установок и центробежных насосов.
Образование соединений бора приводит к некоторому изменению геометрических размеров детали, по этому тех. процесс в себя включает механическую обработку поверхностей после образования упрочненного слоя. Ввиду высокой твердости и стойкости к абразивам для обработки поверхностей применяют шлифовка и полирование поверхностей.
Технология борирования выполняется по самым разным методикам, использование которых диктуется характерностями производства и видами обрабатываемых изделий. Режим проведения процесса зависит от желаемой толщины покрытия и марки стали. В большинстве случаев борируемые стали содержат большое содержание углерода и легирующих присадок. В список материалов, к которым применяется рассматриваемая технология, входят также изделия из нержавейки.
Воздействие легирующих компонентов на глубину борированного слоя
Газовое борирование схоже с процессами цементации и азотирования сталей. Процесс проводят в печах в среде диборана (В2Н6), треххлористого бора (ВСl3), триметила — (СН3)3В или других борсодержащих веществ. Чаще применяют диборан и треххлористый бор, который разбавляют водородом, аргоном, азотом или аммиаком. Применение азота в качестве разбавителя сильно снижает взрывоопасность среды. Насыщение прoводят при температурах 800-900°С. Время выдержки составляет от 2 до 6 часов. Существенное влияние на результаты борирования оказывает избыточное давление насыщающей среды. При газовом борировании на углеродистых сталях формируется боридный слой толщиной 0,1-0,2 мм и твердостью 1800-200HV.
Широкое разнообразие методов борирования стали дает возможность применять наиболее технологичные в каждом определенном производстве. Самые популярные методики такие:
- В газообразной обстановке;
- В жидкой обстановке;
- В твёрдой обстановке.
В большинстве случаев изобилие бором выполняется конкретно при отливке деталей. Этот способ дает возможность значительно облегчить технологический производственный процесс деталей конструкции, они не требуют большой точности при финальной отделке.
Вышеперечисленные методики обработки в себя включают огромное количество разных видов, которые отличительны определенными тонкостями.
Для жидкостного борирования используются расплавы смесей, главной составляющей которых считается тетраборат натрия (бура) с добавлением карбида бора, хлорида натрия и силиката марганца. Температура расплавленной массы составляет 900°С. Толщина отделанного слоя может составлять до 0.2 мм. Жидкостное борирование в расплаве имеет то преимущество, что глубина обработки не зависит от формы поверхности которая обрабатывается. Из плохих качеств стоит отметить, что расплав активных веществ быстро истощается, при этом компенсация расхода некоторых элементов затруднена, как и обозначение химического состава смеси.
Варианты использования технологии жидкостного борирования
Уменьшить время процесса при жидкостном борировании помогает применение эффекта электролиза при прохождении электротока через обрабатываемую деталь и расплав. Процесс электролизной обработки идет при маленьких значениях плотности тока и тех же температурах расплавленного электролита, что и при простом жидкостном борировании. Хотя при этом способе применяется только бура, минусом считается ее чрезмерный расход, потому как часть бора при электролизе падает в виде аморфной массы, которая, более того, может образовывать изъяны на поверхности заготовки.
Уменьшить температуру расплава помогает введение фторосодержащих добавок – фторида и фторбората натрия.
Одинаковое и однородное проникновение бора в верхний слой металла достигается во время использования метода газового борирования. Борирование деталей выполняется при температуре 850°С в обстановке газов, содержащих оксиды, галогениды и водородные соединения бора. Выделяющийся при термическом разложении газов атомарный бор, садится на поверхности изделий и диффундирует вглубь металла.
Нужно сказать, что некоторые борирующие смеси газов очень взрывоопасны, что налаживает ограничения на использование этой методики.
Если вы нашли погрешность, пожалуйста, выдилите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.
Применение
Борирование применяют для повышения износостойкости втулок подшипников и рабочих колёс погружных электроцентробежных насосов, дисков пяты турбобура, вытяжных, гибочных и формовочных штампов, деталей пресс-форм машин литья под давлением и деталей из углеродистых и легированных сталей с различным содержанием углерода (20, 18ХГТ, 15X11МФ, Х23Н18, 45, 40Х, Х12, У10 и др.). Стойкость деталей после борирования увеличивается в 2—10 раз.
Изделия, подвергшиеся борированию, обладают повышенной до 800 °C окалиностойкостью и теплостойкостью до 900—950 °C. Твёрдость борированного слоя в сталях перлитного класса составляет 15 000—20 000 МПа.
Плюсы и минусы диффузионного насыщения металлов
Применяя диффузионную металлизацию, в поверхностный слой металлического изделия можно внедрить практически любой диффундирующий элемент – это следует отнести к положительным аспектам метода.
Отрицательные же аспекты, которые не позволяют широко использовать такую обработку на предприятиях, следующие:
- скорость диффузии очень мала и требует многих часов обработки;
- поддержание высоких температур ведет к серьезным затратам энергии;
- из-за повышенного нагрева деталь подвергается деформации;
- полученный слой уступает по показаниям защиты слоям, получаемым менее затратными методами, например нитроцементацией.
Читайте также: