Способ борирования стальных изделий

(51) ОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМРИ ГКНТ СССР СПИ ТЕНИЯ ОБ К АВТОРСХ ЬСТВ(21) (22) (46) О ние на поверхность обрабатываемых изделий слоя твердого электролита на основе бора, последующее размещение этих изделий в контейнере с н щающей смесью, содержащей, мас.3; карбид бора 20-50; окись алюминия остальное, нагрев изделий, до рабочей температуры и выдержку при этой температуре при приложенном между обрабатываемыми изделиями и насьпцающей смесью постоянном электрическом наБюл. Н 2полит ехнич ий инстиасьг аков, В,Г.Воронин,и В.И,Ермолов53(088,8)НР 9 247457,70, опублик. 1986,ИЯ СТАЛЬНЫХ 4) ПОСОБ БОРИРОВАНЙзобретение отно пряжении. При эт дого электролита женную буру, спл с литием в колич и эвтектический м в качеств ИЗДЕ,(57 ится к метахимико-термижет быть ис ургии, в части еской обработк польз о верхно ано в маш уры с гало ие обеспеорировани нии при по ген ном упро м бориро интенсиф орирова ивает в 1,сткой 5 та ст не деталеи маЦель изобрепроцесса.чает нанесешин путтения -Способ вн е- обом ния икация ия вкл,ф-лы носят с Изобретение относится таллур мич еси твердого электролита,е насьпцающей смеси берут,ошков карбида бора с окипри следующем их соотнош гии, в кой об вано в астности к .химико-т ботке, и может быть в ка есь п испольэо сверхност- ал путем н миния масашиностроении при чнении деталей ма м рир Це ания, изобретения - интен 0-50ально Карбид боОкись аВ качестве ра люминфикация О процесса бор тем, что вс ования - дос сабе дийфузи щем размещен засыпку их н ердогооженнуюы с лит ек троли та уру, спла о пользуют обе езвоженной б щения, включа в контейнере смесью, загру температуры о электрическог лями и смесью перед размеще и следусьпцаю грету ожени ющем их соо Литий-12,0альноеенной жени У и выдержку, на де ием их в контейне 434634421. 12.815.07.9ся на сыалей щей юдо е детаали е наиспользуют об в обезвоженно стве 1-12 мас плав обезвоже м натрия. Изо повышение ско -2 раза по ср известным.спо Бура обезвоженная Ос и эвтектический сплав обезво буры с галогенидами натрия,твер- звобурыХнойФС рете- ЖНанесение на детали слоя вещества, свойства электролита при нагреве до температуры обработки позволяют интенсиФицировать процесс образованияборированного слоя, так как пленкаэлектролита между насыщаемой поверхностью детали и порошковой смесью является средой, через которую воз" можен перенос ионов бора. Причем при температурах обработки (8501000 С) в расплаве буры с литием частично растворяется карбид бора, так как литий, обладая чрезвычайно высоким сродством к кислороду, способствует восстановлению бора в расплаве буры. Восстановленные ионы бора переносятся электролизом на катод, а недостаток бора в расплаве буры восполняется за счет растворения карбида бора. В результате протекания такого пРоцесса пленка электролита является не поставщиком ионов бора, а средой, в которой происходит их перенос. Поставщиком же атомов бора, необходимых для диФФузионного насьшения, является карбид бора.Окись алюминия вводят для снижения электропроводимости насыщающей смеси. Сопротивление карбида бора резко уменьшается от 0,9 до 0,04 Ом см прио нагреве. соответственно от 20 до 500 С. Поэтому при нагреве до температуры обработки без добавки окиси алюминия процесс протекал бы практически н условиях короткого замыкания, что негативно влияет на срок службы питающего трансФорматора.В качестве боросодержащего вещества может быть использован порошок бора, но он по стоимости значительно превосходит порошок технического карбида бора.П р и м е р 1, Предложенным способом борируют образцы из сталей 45, 20 Х, У 8, ШХ 15 в Форме цилиндров И 14 мм и высотой 12 мм, которые имеют сквозное отверстие с резьбой для крепления к токонводам. Борируют мерительный инструмент - калибры в виде гладких предельных пробок Ф 9,022-0,004 и 5,955-0,004.Перед упаковкой деталей в контейнер на них накосят слой твердого электролита. Для этого обезжиренчые образцы окунают в расплав электролита, находящийся при 730-760 ОС. Части деталей, подлежащие борированию, выдерживают в расплаве 2-3 мин и из 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 влекают. На их поверхности остается.слой расплава толщиной 1,0-1,2 мм,При необходимости нанесения слояэлектролита большей толщины деталиохлаждают и повторно окунают в расплав, после чего толщина слоя расплава на них составляет 2,0-2-2 мм,В дальнейшем детали закрепляютн кольцеобразном держателе, снабженном токовводами, выходящими черезкерамические изоляторы в крышке наружу из контейнера. На дно контейнеразасыпают порошковую смесь и устанавливают держатель с деталями внутри контейнера так, чтобы не.было непосредственного контакта между деталямии корпусом. Далее контейнер заполняютсмесью так, чтобы поверхности, подлежащие борированию, были полностьюскрыты. К токовводам присоединяютотрицательный полюс от источника постоянного тока, а к корпусу контейнера, т.е. к смеси, - положительный.Контейнер загружают в муфель печи, разогретой до температуры борирования. При достижении в контейнереравновесной гемпературы на токовводыподают напряжение.Экспериментально установлено, чтонаилучшие результаты дает борирование при напряжении 13-35 В и соответствующей плотности тока 0,21,7 А/см,Борированпе образцов и деталей проводят при 850-1000 С н течение 1,56 ч. По окончании выдержки отключаютнапряжение, вынимают контейнер из печи и охлаждают на воздухе.В процессе распаконок контейнеровустановлено, что во всех случаях наповерхности образцов остается слойсмеси, спекшийся со слоем электролита. Налипшую смесь удаляют с поверх-.ности образцов легкими ударами дере-вянного молотка. Налипшая смесь подударами раскалывается и отслаивается от поверхности образцов, которыеостаются чистыми, матово-серогоцвета. Других мер по очистке поверхности борированных образцов не требуется,Из бориронанных образцов приготавливают микрошлиФы, которые подвергают микроструктурному анализу на микроскопе МИМ. Измеряют толщину борированных слоев, качество слоев, т.е,наличие пор, микротрещин, неоднородностей толщины, Проверяют микротвер 5 15782дость слоев на приборе ПМТ. Выполняют фазовый рентгеноструктурный ана"лиз слоев на дифрактометре ЛРОН.Экспериментально установлено, чтотолщина слоев и плотность тока, подводимого к борируемым деталям, .зависят от состава насьшающей смеси исостава электролита. В табл. 1 приведена зависимость параметров борированных слоев на стали 20 Х, полученныхпри 920 С в течение 5 ч, от содержания карбида бора при оптимальном составе электролита (бура обезноженная+57 Ь 1).Из данных; приведенных в табл. 1,следует, что оптимальным в борирующейсмеси является содержание карбидабора в пределах 20-507 При его содержании менее. 207, уменьшается и становится неравномерной толщина борированных слоев, а при содержании более507. резко возрастает электропроводность среды, что приводит к роступлотности тока. В результате всзрастания плотности тока на борируемойповерхности появляются наросты аморфного бора, которые можно удалить только лишь механической шлифовкой,На толщину и качество (пористость, 30трещиноватость и др.) борированныхслоев сильно влияет состав наносимойпленки электролита. Сравнительные данные, полученныев результате борирования стали 40 Хпри наличии пленки электролита различного состава, а также данные поспособу-прототипу приведены в табл,2,Борирование проводили в смеси оптимального состава при 920 ОС 5 ч,плотность тока 1,1 А/см.Из данных, приведенных в табл,2,следует, что наибольшая толщина слоя(борированного) при хорошем качестве и оптимальной плотности тока обеспечивается при наличии пленки электролита, состоящей из обезвоженнойбурн с 1-1.27 лития. Наименьшая толщи"на слоев соответствует способу-прототипу, когда на поверхности борированных деталей не наносят пленку электролита.Пленка электролита, состоящая изчистой буры и ее эвтектических смесей с хлористым и фтористым натрием,обеспечивает в 1,5 раза большую толщину борированных слоев в сравнениисо способом-прототипом, но меньшую 27 6толщину в сравнении с пленкой изсмеси буры и литием,Сравнительные результаты по износостойкости и эксплуатационной стойкости, подтверядающие преимуществапредложенного способа борирования всравнении со способом-прототипом,и фазовый состав поверхностных слоевна стали 40 Х, борированной при 920 Св течение 5 ч при плотности тока1,1 А/см, приведен в табл.3.Как следует из табл. 3, в бориро"ванных слоях, полученных предложеннымспособом, высокотвердая Фаза РеВ занимает до 507 толщины борированногослоя, а в слоях, полученных по способу-прототипу, Фаза ГеВ занимаетменее 207, от толщины борированного.слояСравнительные испытания на износостойкость проводили на машине ИИ по схеме диск-колодка. Борированныедиски из стали 40 Х 9 30 мм и толщиной 10 мм испытывали в паре с колодками из закаленной стали,ШХ 15, Колодки имели дугу охвата диска 22 мм,скорость вращения диска 450 об/мин,нагрузка 130 кгс. Износостойкость оценивали по потере массы за одинаковоевремя трения диска, За эталон стойкости приняли закаленную сталь 40 Х,за критерий износостойкости - относительную стойкость, т.е. отношениеизносостойкости борированных образцов к закаленным, Сравнительные данные приведены в табл. 4.Сравнительные данные, приведенныев табл. 4, показывают, что по всейтолщине борированных слоев износостойкость образцов, обработанных предложенным способом, више износостойкости согласно способу-прототипу. Этообъясняется большей толщиной зоныс высокотвердой фазой ГеВ у образцов, борированных предложенным способом, Начиная с глубины 200 мкм,стойкость образцов, борированных поспособу-прототипу, равна стойкостинеборированной стали 40 Х, так каквесь слой износился, а стойкость образцов, борированных предложеннымспособом, осталась в 3,8 раза вьппеэталонной.П р и м е р, 2. Предложенным способом борируют калибры в виде гладких предельных пробок из стали ШХ 15,применяемых при абразивно"алмазнойдоводке деталей топливной аппарату"1578227 Таблица 1 Другие показателиборированного слоя Плотность тока,А/см 2.Карбид бора 10 Окись алюминия 90 Карбид бора 20 Окись алюминия 80 Карбид бора 35 Окись алюминия 65 Карбид бора 50 Окись алюминия 50 Карбид бора 60 Окись алюминия 40 0,2 Толщина неравномерна 210 0,8 340 350 Незначительный рельеф на поверхности 360 Недопустимая бугристость поверхности 3,8 360 ры - втулок плунжерных и распылительных пар.Для борирования берут изношенные калибры, т.е, вьппедшие по размеру за пр делы допуска. Борирование вы 5 полняют при 930 С в течение 4 ч. На поверхность пробок наносят пленку электролита (бура +6% лития) толщиной 1,2 мм. Борирующая смесь состоит из смеси карбида бора с окисью алюминия, взятых в соотношении 1: 1. Между пробками и смесью прокладывают постоянное напряжение 18 В при соответствующей плотности тока 1,2 А/смй.В результате борирования на поверх ности пробок формируется борированньп слой толщиной 260 мкм. Диаметр пробок возрос на 520 мкм, что приводит к восстановлению заданного размера с запасом на механическую доводку 80 мкм..После доводки алмазным порошком до Ф 9 ф 022 п,ом и ф 5,255-о,оо 4 пробки были испытаны в промышленных условиях на участке абразивно-алмазной доводки цеха . топливной аппаратуры КЗТЗ. В табл, 5 приведены результаты 30эксплуатационных испытаний калибров,борированных предложенным и известным способами.Как видно из данных табл. 3, предложенный способ борирования обеспечивает в 1,2-1,4 раза более высокуюэксплуатационную стойкость изделий,чем способ-прототип,Формула.и з о бр е т ения1. Способ борирования стальныхизделий, включающий размещение деталей в контейнере с насьпцающей порошковой смесью, загрузку контейнерав печь, нагретую до рабочей температуры, приложение разности потенциалов между изделиями и смесью и изотермическую выдержку при рабочей температуре, о т л и ч а ю щ и й с я тем,что, с целью интенсификации процесса,перед размещением деталей в контейнере на них наносят слой твердогоэлектролита на основе бора, а в качестве порошковой смеси используютсмесь карбида бора с окисью алюминияпри следующем соотношении компонентов, мас.%:Карбид бора 20-50Окись алюминия Остальное2, Способ по п. 1, о т л и ч а ющ и й с я тем, что в качестве твердого электролита используют обезвоженную буру.3. Способ по п. 1, о т л и ч аю щ и й с я тем, что в качестветвердого электролита используютсплав обезвоженной буры с литиемпри следующем соотношении компонентов, мас.%:Литий 1-12Обезвоженная бура Остальное4. Способ по п. 1, о т л и ч аю щ и й с я тем, что в качестветвердого электролита используютэвтектический сплав обезвоженной буры с галогенидом натрия,10 1578227 Та блица 2 Толщина борированного слоя,мкм Способ борированияи состав пленкиэлектролита, мас.Е Способ-прототип, буры с хлористым натрием 260 220 250 310 360 380 Пористость до 37в поле зрения 13 87 ЛитийБура 380 Та блица 3 Иикротвердость Нрр (в числителе РеВ, в знаменателе - РеВ Толщина бориро- ванного Составслоя слоя,мкм 2100 1600 Двух 360 фазн, Пленка Бура + 67 1,1 Предложенныйспособ 160 2040 1600 ЭвтетикаБура + ИаР 110 250 То же ЭвтетикаБура + ИаС 1 2040 1600 1950 1550 110 260 То же Способпрототип 170 30 ЧистаяЛитийБураЛитийБураЛитийБураЛитийБура бура0,599,51996941288 Способ борирования Плотность тока, Другие показатели А/см 2 борированного слоя Пористость до 12-137 Г Толщина зоны, занимаемой боридом,мкм1578227 Та блица 4 Способ борирования Относительная износостойкость по глубине (мкм)борированных слоев 0-30 30-60 60-90 90-120 120-150 .150-200 200-230 230-260 5,2 3,8 3 8 3,8 3,8 2,а блица 5 особ борирова"Количество измеренных ия калибров отверстий до отбраковк калибра, шт. х 10а выходаоя калибра з ст Уменьшение диамет в результате изно о жеН оставитель А. Бул Редактор А. Маковская Техред М.Дидик Корректор М. Самборска Заказ 1893 Тираж 816 ПодписноеВНИИПИ Госуд о изобретениям и открытиям при ГКНТ ССС35, Раушская наб д. 4/5 арственного комитета и 113035, Москва, ЖПроизводственно-издательский комбинат "Патент", г,Ужго ул. Гагарина, 10 Предложенныйс пленкойБура + 6 МБура + ЯаРБура Ф НаС 1Способ-прототип Предложенныйспособ;Бура + 6 Х 1 ЛБура + МаРБура + ЯаС 1Способ-прототип 5,2 5,2 5,2 4,1 4,1. 4,1 4,2 4,2 4,2 3,9 2,5 2,5 12,50 11, 02 11,08 9,30 5,2 4,0 3,8 3,8 3,8 3,8 2,51,6 3,83,83,81