способ боросилицирования стальных изделий в псевдоожиженном слое

Формула изобретения

Способ боросилицирования стальных изделий, включающий нагрев, насыщение в порошкообразной среде, содержащей карбид бора, кремний, медьсодержащий компонент, хлористый аммоний, и последующее охлаждение, отличающийся тем, что боросилицирование осуществляют в псевдоожиженном слое при 600-1000^oС в порошкообразной среде, дополнительно содержащей тетрафторборат натрия, корунд, а в качестве медьсодержащего компонента - закись меди при следующем соотношении компонентов, мас. %: карбид бора - 5-25; кремний - 2-10; закись меди - 0,05-0,25; тетрафторборат натрия - 0,1-0,5; хлористый аммоний - 0,1-0,25; корунд - 64-92,75, а в процессе нагрева до температур боросилицирования осуществляют выдержку изделий при 350-500^oС в течение 5-25 мин.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области металлургии, а именно к химико-термической обработке металлов и сплавов и может быть использовано для повышения износо-, жаро-, и коррозионной стойкости деталей машин на предприятиях металлургической, авиационной, химической, судостроительной, машиностроительной и др. отраслях 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^oС (авт. св. СССР 977514, С 23 С 9/04, 1982).

Недостатком известного способа является высокая хрупкость покрытия, 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 пластифицирующее 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 900^oС в течение 4 ч (авт. св. СССР 977513, С 23 С 9/02, 1982).

Недостатком указанного способа является высокая хрупкость покрытия, 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 затрудняется доступ газовой фазы непосредственно к поверхности металла.

В основу изобретения поставлена задача улучшения качества поверхности и уменьшения хрупкости покрытия при одновременной интенсификации процесса боросилицирования.

Поставленная задача решается тем, что в известном способе боросилицирования стальных изделий, включающем нагрев, насыщение в порошкообразной среде, содержащей карбид бора, кремний, медьсодержащий компонент, хлористый аммоний и последующее охлаждение, согласно изобретению боросилицирование осуществляют в псевдоожиженном слое при 600-1000^oС в порошкообразной среде, дополнительно содержащей тетрафторборат натрия, корунд, а в качестве медьсодержащего компонента - закись меди при следующем соотношении компонентов, мас. %:

Карбид бора - 5-25

Кремний - 2-10

Закись меди - 0,05-0,25

Тетрафторборат натрия - 0,1-0,5

Хлористый аммоний - 0,1-0,25

Корунд - 64-92,75

а в процессе нагрева до температур боросилицирования осуществляют выдержку изделия при 350-500^oС в течение 5-25 мин.

Способ боросилицирования стальных изделий осуществляют следующим образом. Предварительно готовят порошкообразную смесь для боросилицирования изделий путем смешения следующих компонентов, мас. %:

Карбид бора - 5-25

Кремний - 2-10

Закись меди - 0,05-0,25

Тетрафторборат натрия - 0,1-0,5

Хлористый аммоний - 0,1-0,25

Корунд - 64-92,75

В реторту с указанной порошкообразной смесью загружают стальные изделия и осуществляют их нагрев одновременно с нагревом насыщающей порошкообразной среды. В процессе нагрева при температуре порошкообразной среды 350-500^oС проводят выдержку стальных изделий в течение 5-25 мин. Затем температуру повышают до 600-1000^oС 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.

Кремний вводится в состав смеси с целью получения на поверхности изделий слоя, состоящего из силицидов железа.

Наличие в составе закиси меди позволяет получать активные атомы меди за счет химических реакций между компонентами смеси, в результате чего, при нагреве среды до температур насыщения на поверхности изделий образуется легкоплавкая эвтектика Cu-B-Si. При этом создаются условия для более активного протекания процессов диффузии атомов меди, бора и кремния в поверхность обрабатываемых изделий, а также снижается хрупкость покрытия за счет растворения меди в боридах и силицидах железа.

Тетрафторборат натрия вводится в состав как активирующая добавка, способствующая освобождению бора, адсорбции и диффузии его в стальную поверхность.

Хлористый аммоний вводится в состав смеси как активирующая добавка, позволяющая проводить процесс боросилицирования в псевдоожиженном слое без спекания насыщающей смеси.

Корунд предназначен 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^oС 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 В₂O₃ и BCl 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 вглубь 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.

Выдержка изделия в течение 5-25 мин в интервале температур 350-500^oС способствует улучшению качества поверхности стальных изделий за счет образования на ней качественного слоя меди.

Выдержка изделий при температуре ниже 350^oС снижает стабильность протекания процессов восстановления и адсорбции меди на поверхности изделий, что приводит к образованию пористого покрытия при дальнейшем нагреве до температур насыщения. При температурах выдержки выше 500^oС на поверхности обрабатываемых изделий образуется пористое покрытие.

При времени выдержки изделий менее 5 мин в интервале температур 350-500^oС процесс восстановления меди проходит не полностью, что приводит к образованию пористого покрытия при дальнейшем нагреве до температур боросилицирования. Выдержка более 25 мин нецелесообразна, так как процесс полного восстановления меди проходит в течение 5-25 мин, в связи с чем более длительная выдержка приведет к нерациональному расходу насыщающей смеси. При температуре боросилицирования ниже 600^oС не происходит образования боридов и силицидов железа. Нагрев изделий до температур выше 1000^oС нецелесообразен из-за получения изделий с низкими свойствами.

Введение в состав насыщающей среды карбида бора менее 5 мас.% приводит к нестабильности протекания процесса насыщения поверхности изделий бором, что снижает толщину боросилицированных слоев. Увеличение содержания карбида бора более 25 мас.% приводит к спеканию насыщающей смеси, а также нецелесообразно в целях экономии материала.

Уменьшение содержания кремния менее 2 мас.% приводит к нестабильности протекания процесса насыщения поверхности изделий кремнием, тем самым уменьшает толщину силицированного слоя. Увеличение содержания кремния более 10 мас.% нецелесообразно в целях экономии материалов.

Уменьшение содержания закиси меди менее 0,05 мас.% снижает стабильность протекания процессов адсорбции и диффузии атомов меди в стальную поверхность, что приводит к снижению скорости формирования боросилицированных слоев. Увеличение содержания закиси меди более 0,25 мас.% ухудшает технические свойства диффузионного слоя, снижая поверхностную твердость, а также ухудшает качество боросилицированной поверхности стальных изделий, образуя пористый слой меди на их поверхности.

Уменьшение содержания в среде тетрафторбората натрия менее 0,1 мас.% приводит к нестабильности протекания процессов освобождения атомов бора, адсорбции и диффузии его в стальную поверхность. Увеличение его содержания более 0,5 мас.% нецелесообразно в целях экономии материала.

Введение в насыщающую смесь хлористого аммония менее 0,1 мас.% приводит к нестабильности протекания процесса восстановления закиси меди, а также к нестабильности процесса переноса атомов бора, кремния и меди к насыщаемой поверхности, тем самым уменьшая насыщающую способность среды. Увеличение его содержания более 0,25 мас.% нецелесооразно в целях экономии материала.

Для обоснования преимуществ заявляемого способа по сравнению со способом, взятом за прототип, были проведены лабораторные испытания.

Образцы стали 45 диаметром 5 мм и длиной 50 мм подвергали боросилицированию заявляемым и известным способом при соответствующих сопоставительных режимах с целью определения насыщающей способности среды. Составы насыщающей среды, режимы проведения боросилицирования и результаты металлографических исследований обработанных изделий приведены в таблице.

Из приведенных данных следует, что боросилицирование стальных изделий в псевдоожиженном слое заявляемым способом по сравнению с прототипом улучшает качество обработанной поверхности изделий, снижает хрупкость покрытия в 1,5-2 раза, сокращает время обработки в насыщающей смеси в 2-4 раза.