Насичення поверхні металами, бором

Дієвим способом підвищення зносостійкості є також насичення поверхні стальних виробів металами і неметалами – хромом, титаном, бором і інші. Насичення може проводитися в твердих, рідких і газоподібних середовищах. Найбільш просте насичення в твердих порошкових сумішах або пастах, приготовлених на основі цих порошків. Порошкові суміші включають в собі насичуючий метал або його феросплави, нейтральний наповнювач (розчинник) – шамот, глинозем і активатори – галоїди аміачних солей NH₄Cl, NH₄I, що володіють високою летючістю. Вироби упаковуються в герметичні контейнери з таким порошком. Процес, в залежності від насичуючого металу, протікає при різних температурах (950…1200⁰С). Зміцнення виникає в результаті безпосереднього контакту частинок порошку або парів металу з поверхнею виробу або утворення проміжних летючих хлористих (йодистих) сполук, які розкладаються на насичуваній поверхні з виділенням атомів металу.

При здійснені дифузійної металізації в газовій фазі окремо готується газ, що містить хлористі сполуки насичуючого металу, яке розкладається на поверхні виробу з виділенням металу в атомарному виді.

Дифузійна металізація в рідких середовищах здійснюється в ваннах розплавленого насичуючого металу.

Хромування – дифузійне насичення поверхні стальних виробів хромом. Обробка дає значне підвищення зносостійкості, корозійної стійкості і жароміцності. Підвищення зносостійкості зв’язане з утворенням в поверхневих шарах твердих карбідів хрому Cr₂₃C₆, Cr₇C₃(рисунок 3.8).

Рисунок 3.8 – Будова хромованого шару для різних сталей: 1 – сталь з 0,2% С; 2 – сталь з 0,45% С; 3 – сталь з 1% С; а – карбідна зона; б – перехідна зона (К+Ф); в – обезвуглецьована зона; г – основний метал

В сталях з недостатньою кількістю вуглецю при хромуванні утворюється підшар - м’яка обезвуглецьована зона (вуглець з якої витратився для зв’язування хрому в карбіди), через наявність якої шар може продавлюватися. Тому хромувати потрібно високовуглецеві сталі.

Парофазове хромування проводиться в парах хрому, які отримуються або окремо, або випаровуванням хрому в тому ж середовищі, де знаходиться виріб. Для утворення парів хрому потрібно більш висока температура: 1100…1200 ⁰С. Для активізації випаровування хрому інколи використовують вакуум 10^{-3 мм рт.ст.}

Газове хромування може бути контактним – газ утворюється в порошковидній суміші, куди упаковано виріб. Суміші містять порошки Cr 60…65% (або Fe-Cr), Al₂O₃ – 30…37% і NH₄Cl 3…5%. В процесі хромування утворюється сполука CrCl₂, з якої на поверхні сталі виділяється атомарний Сr:

CrCl₂+Fe® FeCl₂+Cr. (3.9)

При неконтактному хромуванні в простір з виробами подається готовий газ CrCl₂ .

Рідке хромування проводять в ваннах 70% ВаCl₂+30%NaCl з добавкою 20…25% від ваги суміші ферохрому.

Режим хромування і глибина шару представлені на рисунку 3.9.

Твердість хромованого шару становить 15000 МПа і більше. Вміст хрому на поверхні – 70 %.

Титанування – насичення поверхні титаном – дає підвищення зносостійкості в результаті утворення в шарі карбідів титану ТіС. Тому титануванню доцільно піддавати високовуглецеві сталі або проводити титанування цементованого шару (одночасне насичення титаном і вуглецем). Твердість титанового шару досягає HV 2000…2700.

Титанування в порошкових сумішах здійснюють при 1150⁰С в суміші 75% низьковуглецевого Fe-Ti, 15% CaF₂, 4% NaF, 6% NaCl. За 6 годин на сталі з 0,3% С отримують шар 0,03…0,05 мм. Вміст титану в шарі – до 80%, будова шару - таке ж, як і хромованого. Процес іде через утворення сполуки ТіF₂.

Титанування в вакуумних печах (парофазових) здійснюється при 900…1050⁰C і тиску 10^-2…10^{-3 мм рт.ст.}

В камері розміщують титан у виді губки і оброблюваний виріб.

Товщина шару на сталі 45 за 16 годин при 1050⁰С – 0,08 мм.

Борування в порівнянні з хромуванням і титануванням має ту перевагу, що при високій твердості дифузійного шару – біля HV 2000, швидкість процесу більша, оскільки бор створює розчин впровадження.

Рисунок 3.9– Товщина шару на сталях 40 і У8 при різних умовах хромування

В системі Fe-В при 17%-му вмісті бору присутня евтектика Fe - Fe₂В, при 32% бору – борид Fe₂В (HV-1400) і при 50% в - борид FeВ (HV-2000). Це забезпечує дуже велику зносостійкість борованих виробів. Бориди стійкі при нагріві: FeВ – до 800⁰С, а Fe₂В-до 1000⁰С, що дуже важливо для умов тертя, де контактуючі пари нагріваються. В боридах розчиняються Cr і Mn, підвищуючи їх твердість до 3000 і 2400 HV відповідно. Будову шару представлено на рисунку 3.10, а характеристики процесу – в таблиці 3.6 і 3.7.

Рисунок 3.10 – Будова борованого шару на сталі: 1 – борид FeB; 2 – борид Fe₂B ; 3 – розчин B в aFe; 4 – шар відтісненого вуглецю; 5 – основний метал

Таблиця 3.6 – Борування в порошках при 900⁰С

Борування в порошках при 900⁰с
Суміш	Склад сумішей, %
В аморфний	Na₂B₄O₇	KBF₄
А			-
Б
В

Таблиця 3.7 –Характеристики борованого шару на сталі 40Х

Характеристика шару на сталі 40Х
Суміш	Час, год	Глибина фаз, мкм	Твердість, HV
Fе₂B	FeB	Fe₂B	FeB
А			40-50	1490-1665	1830-1980 1830-1980
Б		80-90 90-100	40-50 50-60	1490-1665 1490-1665	1830-1980
В		80-90 100-110	50-60	1490-1665	1830-1980

Борування в порошкових сумішах з нагрівом СВЧ дозволяє здійснити місцеве борування. Схема процесу представлена на рисунку 3.11.

Рисунок 3.11– Схама борування в порошку з індукційним нагрівом: 1 – виріб; 2 – керамічний контейнер; 3 – порошок; 4 - індуктор

Суміш для борування складається з карбіду бору і активаторів NaF i NH₄Cl. Кінетика процесу борування приведена на рисунку 3.12.

Локальне зміцнення поверхонь здійснюється боруванням деталей із паст. Склади паст: 1) 50…55% В₄С+ 45…50% Na₃AlF₆; 2) 84% В₄С+ 16% бура. Зв’язуючі – 15…25%-ий розчин БФ-2 в ацетоні. Товщина шару пасти – 1,5…2 мм. Обмазані вироби розміщують в контейнері, який виключає процес окислення.

Рисунок 3.12– Вплив складу пасти і тривалості нагріву на глибину борованого шару: а – паста (1), б - паста (2)

На глибину борування впливає і товщина шару обмазки (рисунок 3.13).

Рисунок 3.13– Залежність глибини борованого шару від товщини обмазки (70% B₄C + 26% Na₃AlF₆ + 4% NaF) після борування на протязі 4 годин: ––– 40Х; ----- 5ХНМ

Рідинне борування здійснюється в розчинах борвмісних солей: 1) Na₂B₄O₇ 70%+30% B₄C; 2) 65% суміші із 85% Na₂B₄O₇ + 15%NaCl+35%KCl; 3) 70% Na₂B₄O₇ +30% SiC – температура борування 950⁰С на протязі 30…120 хв. На кожний квадратний сантиметр поверхні виробу повинно бути не менше 10…20 см³ розплаву. В результаті процесу формуються шари від 20 до 80 мкм.

return false">ссылка скрыта

Властивості боридних покрить мало залежать від того, яким способом вони отримані, але визначаються основними технологічними параметрами процесу: активністю насичуючого середовища, температурою і тривалістю насичення, швидкістю охолодження після борування. Ці параметри визначають глибину шару, його структуру, залишкові напруження, фазовий склад. Для сталей, зокрема, має велике значення співвідношення глибин зовнішнього шару фази FeB і внутрішнього, прилягаючого до основного металу шару фази Fе₂В. Фаза FeB має більшу твердість (від 1800 до 2200 кгс/мм² у залежності від марки сталі і температури борування) у порівнянні з фазою Fе₂В (від 1500 до 1800 кгс/мм²). Але вона також має значно більшу крихкість і більшу різницю в коефіцієнтах термічного розширення зі сталлю, що складають для фази FeB ~ 9·10^-6 град^-1, для фази Fе₂В 14·10^-6 град^-1, для сталей ~ 12·10^-6 град^-1. Це призводить до того, що двохфазні боридні шари на сталях у порівнянні з однофазним (Fе₂В) мають більшу крихкість і більші залишкові напруження, особливо на границі розділу фаз FeB і Fе₂В. Добрі експлуатаційні властивості мають боридні шари, у яких співвідношення фаз FeB : Fе₂В складає не більш 1:3.

На співвідношення боридів суттєво впливають легувальні елементи. Так, нікель, марганець, хром, молібден вольфрам збільшують кількість бориду FeB у борованому шарі, а мідь і алюміній – зменшують. Найсильніше збільшують кількість бориду FeB у борованому шарі молібден і вольфрам. Із підвищенням температури борування їх дія посилюється. Різко знижує вміст фази FeB у дифузійному шарі мідь. Введення алюмінію до 0,53 % майже не впливає на фазовий склад борованого шару. Збільшення надалі вмісту алюмінію в сталі знижує вміст FeB. З підвищенням температури насичення дія міді й алюмінію знижується. За температури борування 850 ⁰С нікель, марганець і хром майже однаково впливають на підвищення вмісту в дифузійному шарі бориду FeB. Із підвищенням температури насичення дія хрому активізується, а нікелю і марганцю знижується.

В літературі приводяться дані, що в ряді випадків, особливо при динамічних та ударних навантаженнях, однофазні шари мають більш високі експлуатаційні характеристики.

Двохфазні шари на сталі 45 при випробовуваннях на тертя ковзання показали більш високу зносостійкість у порівнянні з однофазними. Аналогічно, борована сталь 40Х після загартування і відпускання при 200° С, 2 год, мала зносостійкість у 2 рази більшу, ніж цементована, у 3 рази-чим фосфатована, і в 4 рази-чим загартована з 870°С в маслі і відпущена при 180° С, 2 год. Отже, зносостійкість одно- і двохфазних борованих шарів залежить від конкретних умов тертя. Однак можна з впевненістю вважати, що у випадку циклічних, знакозмінних і ударних механічних і теплових навантажень кращими властивостями володіти однофазні шари (фаза Fе₂В).

Всі процеси дифузійного насичення металами і бором проводяться при температурі вище Ас₃, тому піддавати насиченню термічно оброблену сталь не має смислу. Термообробка виробів після дифузійного насичення допустима в тих випадках, якщо вона не визиває тріщин в шарі, котрі можуть утворитись внаслідок різниці в теплофізичних властивостях.

Азотування, ціанування, насичення поверхні металів бором раціональні для умов зносу в парах тертя.

Основна причина підвищення зносостійкості при ХТО – це утворення в поверхневому шарі певного фазового стану при кожному виді обробки. Додатковим фактором, який дає підвищення зносостійкості поверхні шарів, є виникнення на поверхні стискаючих залишкових напружень, обумовлених збільшенням об’єму обробленого шару.