Способ электролизного борирования стальных изделий

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ 63518 А 1 РЕСПУБЛИ 3 С 8/42 САНИЕ ИЗОБРЕТЕНКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ КАВТ(57) Использовани рочнения стальны бретения; стальн электролизному б ванием анодов и жаростойкой стали 0,15 А/см и выде электролиза в тече ющей безтоковой 15 мин и увеличе 5 - 10 мин в каждо 6 табл,ерхностного уп. Сущность изоия подвергают ию с использоионностойкой и тности тока 0,1 - действием т мин с после и в течение й выдержки дующем цик: для пов изделий ые издел рирован корроз при пло жке под ние 5 - 10 ыдержко нием это м после ока ду 10 - на ле,ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР(54) СПОСОБ ЭЛЕКТРОЛИЗНОГО БОРИРОВАНИЯ СТАЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ Изобретение относится к металлургии, в частности к химико-термической обработке металлов, а именно к диффузионному насыщению в расплавах методом электролизного борирования и может быть использовано для поверхностного упрочнения стальных изделий подвергнутых износу в условиях высоких контактных нагрузок.Известно использование сплавов с низким удельным электросопротивлением в качестве электродов для процесса электролиза. Так, малоуглеродистую хром-кремнистую сталь используют в качестве анодного штыря алюминиевого электролизера 1, Однако недостаточное содержание хрома и никеля не позволяет использовать анод для работы в агрессивных средах.Для электролитического рафинирования меди применяют стальной лист с содержанием элементов; 0,03% С; 12% В; 17% Сг; 2,25% Мо; Ре - остальное 2. Но при этом стальной коррозионно-стойкий лист используют в качестве катода для накопления осаждающейся рафинированной меди в медьсодержащих растворах,Известен также ряд коррозионностойких анодов для электрохимических процессов, в том числе 3. Они состоят преимущественно из сплавов на основе никеля или титана, что обуславливает их высо- Б кую стойкость.Все вышеперечисленные элеткроды используются при выплавке или осаждении вещества из расплавов или растворов и не применяются для осуществления процессов диффузионного упрочнения поверхности, ЫИзвестно использование анодов из ни- (Л келя, молибдена, и свинца при электролиз- - а ном борировании 4. Однако в данных (О условиях (низкая температура анода, малое время злектропиза, 3 - 5 минут) влияние материала анода на процессы диффузионного насыщения незначительны. Хрупкость и пластичность боридных слоев аналогична полученным при других способах электролизного бори рования. При этом боридные слои отличаются пониженной толщиной, асам процесс идет с большим выделениемпродуктов сгорания глицерина, Что влечетза собой расходование электролита, допол5 10 15 20 25 30 35 40 50 55 нительное приготовление его со специальным компенсаторным составом.Известны различные способы 3, 5 получения легированных боридных покрытий электролизным борированием с графитовыми анодами, включающие введение в расплав электролита окислов легирующих элементов и галогенсодержащих солей. При этом возможно достижение повышенной износостойкости боридного слоя, снижение его хрупкости. Но для образования сравнимых толщин боридного слоя необходимо значительно увеличивать время электролиза. Шлам, осадки окислов в прикатодной зоне приводят к снижению толщины борированного слоя, к его неравномерности. Происходит большой унос электролита с деталью после окончания процесса диффузионного насыщения. Введение галогенсодержащих солей увеличивает жидкотекучесть электролита, толщину и равномерность боридных слоев, но приводит к образованию токсичных хлор и фторсодержащих соединений, возникает необходимость их утилизации. ухудшаются условия труда. Наличие галогенсодержащих солей требует постоянного контроля состава электролита, предупреждение расслоения, выбросов. Сложность контроля состава, введение компонентов по ходу процесса электролиза требуют введения дополнительных операций в технологический процесс, Удаление компонентов электролита как в атмосферу так и с деталью приводит к необходимости дополнительного расхода электролита и снижению производительности процесса борирования.Известен способ повышения срока службы анодов при сохранении прежнего уровня физико-механических характеристик обрабатываемых деталей 7, Срок службы анодов увеличивается в 4 - 5 раз и составляет 200 - 250 часов. При этом толщина слоя равняется 110 мкм, Н 16 ГПа, за время выдержки в течении 15 - 30 минут, температуре 820 С, плотности тока электролиза 0,5-0,7 А/см и безэлектролизной вы 2держки в течении 30 - 90 минут, температуре 920 С.Однако, повышение срока службы анодов при этом способе недостаточно и не происходит улучшения физико-механических свойств борированного слоя, К недостаткам способа также относится повышенная плотность тока, большое время стадии электролиза, приводящее к накоплению продуктов электролиза в прикатодном слое и увеличению размеров прикатодной корки, ухудшению качества слоя, возрастанию количества уносимой буры из ванны электролиза. Наиболее близким к предлагаемому способу является способ электролизного борирования в расплаве буры, включающий многократное чередование выдержки в расплаве для борирования при включенном и выключенном токе электролиза. Данный способ позволяет повысить эксплуатационную надежность деталей путем улучшения качества слоя, снижения его хрупкости за счет снижения содержания фазы РеВ,Недостатком известного способа являются низкая производительность процесса и эксплуатационная стойкость анодов из графита при электролизном борировании, образование прикатодной корки значительной толщины излишний расход буры не полное предотвращение образования хрупкой фазы РеВ, а также недостаточное увеличение сопротивления хрупкому разрушению.Целью изобретения является повышение производительности процесса за счет увеличения стойкости анодов и снижения расхода электролита и повышения физико- механических свойств борированного слоя.Цель достигается тем, что в качестве анодов используются аноды из коррозионностойкой и жаростойкой стали, например, аноды из стали 12 Х 18 Н 10 Т, 20 Х 20 Н 14 С 2 и т,д, А процесс электролизного борирования ведут при плотности тока 0,1 - 0,15 А/см и выдержке под действием тока электролиза в течение 5 - 10 минут с последующей безтоковой выдержкой в течение 10 - 15 минут и увеличением этой выдержки на 5 - 10 минут в каждом последующем цикле,Для доказательства соответствия технического решения критерию "существенные отличия" был проведен поиск патентной и научно-технической литературы по классам МКИ С 23 С 8/00, С 23 С 8/40, С 23 С 8/70, С 25 С 7/02, МКИ С 23 С 9/02, С 23 С 9/04, С 23 С 9/10, С 25 С 3/12, С 25 С 7/02, С 25 С 9/02, С 25 В 11/00, С 25 В 11/04.Анализ проведенного поиска показал, что в известных способах электролизного борирования в расплавах буры, аноды из коррозионностойкой и жаростойкой стали не использовались. Не известны способы электролизного борирования с заявляемыми величинами параметров процесса, которые обеспечивали бы получение достигаемоготехнического эффекта, повышение производительности процесса за счет увеличения эксплуатационной стойкости анодов и снижения расходов электролита, а также улучшения физико-механичских свойств борированного слоя, По заявленному способу электролизное борирование проводят погрузив в рабочий электролит аноды. Аноды выполнены в виде полос стального листа5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 из коррозионностойкой и жаростойкой сталиПроцесс электролиза осуществляют при плотности тока 0,1 - 0,15 А/см . При этом исключается операция подготовки анодов: их многократное "остекленение", Операция "остекленения" анодов заключается в полном их погружении в обесточенный расплав и выдержке в течение 15-20 минут, Затем проводят охлаждение на воздухе 15 - 20 мин, Значительно сокращается время прогрева анодов и оно практически равно времени прогрева загружаемых деталей. Таким образом, в предлагаемом решении не требуется периодическое "остекленение" анодов в процессе работы, уменьшается унос электролита, увеличивается срок службы анодов, что в итоге оказывает влияние на повышение производительности процесса.Регулируя время электролиза и время безэлектролизной выдержки, оптимизируют состав ванны, толщину прикатодной корки, степень упрочнения изделий, износ анодов. Толщина насыщения поверхностного слоя зависит от предварительного легирования сплавов железа и при переходе от стали 45 в стали У 8 и 40 Х уменьшается, Характер измерения аналогичен изменениям при электролизном борировании в буре с графитовыми анодами, с небольшим 5 - 10 мкм, уменьшением толщины слоя легированных боридов. Что, как показали испытания, на катастрофический износ, вызванный хрупким разрушением, существенного влияния не оказывает. Так как более значительным в этих процессах износа является сопротивление хрупкому разрушению.Результаты регулирования плотности тока и времени выдержки приведены в таблицах 1-4,Проведенные эксперименты по определению оптимального времени выдержки в ванне для борирования при включенном токе электролиза показали, что при выдержке менее 5 мин происходит недостаточное легирование боридного слоя и увеличение его толщины. Толщина уменьшается на 20-30 мкм, сопротивление хрупкому разрушению увеличивается на 30 - 50;, При времени выдержки в течение 5 - 10 мин выделяется в расплаве буры достаточное количество хрома, никеля, титана (0,09 фб Сг, 0,05 ф 6 М, 0,006; Т за 100 часов борирования), и при этом в ванне не образуется избытка окислов. Прикатодная корка незначительной толщины, в пределах 0,5 - 1 мм, Время выдержки 15 мин и более приводит к избыточному накоплению растворенного металла в электролите, что создает более неблагоприятные условия для формирования боридного слоя. Увеличивается вязкость электролита,накопляются шлаки. Снижается производительность процесса.Экспериментальное определение времени безэлектролизной выдержки показало, что начиная с 10 мин (в зависимости от температуры) п роисходит удовлетворительное рассасывание прикатодной корки и увеличение толщины боридного слоя, Меньшее время выдержки приводит к накоплению шлама. Увеличение времени выдержки более 15 мин в первом цикле и более 25 мин во втором и т.д. приводит к замедлению роста толщины боридного слоя.На величину параметров боридного слоя и электролита, кроме температуры, времени выдержек, состава анода, значительное влияние оказывает плотность тока электролиза. Так при увеличении плотности тока в рабочем электролите более 0,15 А/см толщина бориднога слоя увеличива 2ется незначительно, но зато увеличивается количество избыточно растворенных металлов и преобразование их в окислы, что негативно сказывается на результатах процесса. Плотность тока электролиза 0,1 - 0,15 А/см является оптимальной. При плотности тока менее 0,1 А/см происходит недостаточное выделение элементов диффузии и уменьшается толщина боридного слоя, сопротивление хрупкому разрушению.При оптимальных режимах вынос расплава буры с деталью по предлагаемому способу уменьшается в 1,5-2 раза. Исключаются добавки окиси хрома 20 - 30 кг на ванну (4 - 6; С 20 з), окиси никеля, добавки хлористых и фтористых солей в количестве 100-150 кг на ванну при сохранении той же толщины боридного слоя и его физико-технических свойств, при этом время действия тока электролиза равно 20-30 мин. Стойкость анодов увеличивается в 5 - 7 раз, Производительность процесса повышается на 20 - 30%.П р и м е р. Электролизному борированию известным и предлагаемым способами подвергали образцы из сталей 45, У 8, 40 Х. В качестве анодов использовали аноды графитированные ЭГОО ГОСТ 4426 - 71 и аноды из коррозионностойкой жаростойкой стали 12 Х 18 Н 10 Т ГОСТ 5632-72, Борирование проводили при температуре 860 С, установку температуры осуществляли с помощью прибора КСП, По известному способу электролизное борирование осуществляли при плотности тока электролиза 0,25 А/см и времени выдержки под током 1 мин. Время безэлектролизной выдержки составило 15мин в первом цикле с последующим увеличением его на 15 мин во втором цикле и на 30 мин - в третьем.По предлагаемому способу плотностьтока электролиза составила 0,12 А/см, время выдержки под током -5 мин.Время безэлектролизной выдержки впервом цикле равнялось 10 мин с увеличением его на 5 мин в каждом последующемцикле. Суммарное время борирования поспособу прототипа составило 93 мин, попредлагаемому способу - 90 мин.Металлографические исследования 10проводили с помощью микроскопа "МИМ 8", измерение микротрведости и микрохрупкости (по методике 9) проводили наприборе ПМТ-З, рентгеноструктурный анализ - на дифрактометре "ДРОН". Результаты приведены в таблицах 5, 6.Из результатов, приведенных в таблице5, следует, что применение анодов по предлагаемому способу не ухудшает свойствэлектролита, Превышение предельно допустимой концентрации окислов железа приводит к снижению толщины борированногослоя, Растворение анодов в течейиенепрерывного цикла работы ванны электролизане превышает допустимых пределов, По 25способу прототипа в электролит выделяетсяизбыточное количество графита и, несмотряна то, что в процессе "диффузионного отжига", при обесточенном режиме и конвекциипотоков электролита, у катода скапливается 30избыточное количество зерен графита. Этоприводит к большой толщине прикатоднойкорки, ухудшает качество слоя. Как видно изтабл. 5, стойкость анодов выше в 5 - 7 раз.Стойкость анодов определяется их прочностью, коррозиостойкостью, анодной растворимостью, температурой эксплуатации,Увеличение стойкости, по-видимому, определяется меньшей скоростью анодного растворения и скоростью механического 40разрушения анода в потоках буры при высоких температурах,В табл. 6 приведены результаты исследования влияния предложенного способаэлектролизного борирования на физико-механические свойства.Как видно из таблицы 6, борирование попредлагаемому способу позволяет увеличить сопротивление хрупкому разрушению в 1,5-1,7 р., а с учетом того, что не образуется фаза ЕеВ, сопротивление хрупкому разрушению увеличивается в 2,5-3 раза, При этом наблюдается повышение микротвердости борированного слоя.Предложенным способом была упрочнена партия деталей пневмогайковерта; шпиндель и ударник, Проведенные стойкостные испытания по ПО "Южный машиностроительный завод" показали повышение стойкости указанных деталей в 1,2-1,5 раза по сравнению с деталями упрочненными по способу прототипа,Таким образом, применение предлагаемого способа электролизного борирования позволит повысить производительность процесса за счет уменьшения расхода электролита, времени, необходимого для упрочнения электролизным борированием, включающего подготовку и периодическое "остекленение" анодов, повысить стойкость анодов, Использование предлагаемого способа позволяет повысить физико-механические свойства борированного слоя увеличить пластичность при сохранении высоких прочностных характеристик.Формула изобретенияСпособ электролизного борирования стальных изделий, включающий нагрев до температуры насыщения и выдержку в расплаве буры при чередовании включенного и выключенного тока электролиза с продолжительностью безэлектролизной выдержки в первом цикле 10 - 15 мин, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повышения производительности процесса за счет снижения расхода электролита и повышения стойкости анодов, физико-механических свойств изделий, электролизное борирование проводят с использованием анодов из коррозионностойкой жаростойкой сталИ при плотности тока электролиза 0,1 - 0,15 А/см с выдержкой 5 - 10 мин и увеличении продолжительности безэлектролизной выдержки на 5-10 мин в каждом последующем цикле.10 1763518 Таблица Влияние плотности тока на величину параметров электролизного борирования ф Оценка плотно Удельна величин д- изменен я,толщиныанодов,мм/ч Толщин еличиныи тока сплошнго борного сло Недостаточнаямалая толщина боридного слоя 0,0022 О,0,002,0044 0,17 я " пре" пустииые ия примеНеудовлетворительнаяиного примесей, большая корка 0,00,20 О,0,0060 0,25 Неудовлетворительнаямного растворимых прмесей, большая толщина корки, незначителное увеличение ТБС и ь" ыдержки = 5/1 О + 5/15 + жки, знаменатель - время 860 С. Рабочий электроли Данные приведены для стали 45, вереиенигде числитель - время электролизной выделизной выдержки; температура борирования 300 часов работы Т апроцесса ц а Влияние вреэлек ни электролиза на результаолизного борирования ф Времяэлектро"лиза,Удельная величина изменения толщины анодов, мм/час олщина рикато ой кор Толщинасплошного борид"ного слоя)мкм ценка величины времени электролизной выдержки мин ки, мм Неудовлетворительное Неудовлетворительное- малая толщина боридного слояОптимальноеТ 0,3 0,4 5 0,00 0021 0,1 0,003 68 0)0039 70 0,0046 730,0053 о о ж 0,23 ельное- творение еудовлетвори збыточное ра примесо же Фча т тат атФйай тт Данные приведены для стали 45) время электролизной выдержки, з ратура 860 С, плотность тока О,о и/10 + и/15 + и/20, где числитель,- безэлектролизной выдержки, темпелектролит после 100 часов работы 71012 Толщинаприка"тоднойкорки,0,50 0,70 0,79 Количество раство"ренных металлов вэлектролите,0,1 0,12 0,12 0,15 0,20 Количество растворен" ных металлов в электролите,42 55 65 Избытодельнраствсей 20 + 5/25, езэлектро- после1763518 Таблица 3Влияние времени безэлектролизной выдержки на результаты процессаэлектролизного борированияОценка величины времени безэлектролизной выдержки Время безэлектРолизной выдержки,к, мин Толщинаприкатодной корки, мм Толщинасплошногоборидногослоя, мкм Удельная величина изменения толщины анодов,мм/часю гаев 0,0040 0,18 3,00 0,18 0,13 0,13 0,15 0,0040 0,0039 0,0038 0,0039 2,00,900,700,50 51 О1520 55 61 65 68 25 30 0,50 0,40 0,00400,004 0 17 0,17ю70 71 в юе вю тат аиааааа ию ааи а втащив ива11 Данные приведены для стали 45, времени7/к+7/к+7/к, где числитель " времяэлектролизной выдержки, знаменатель - время безэлектролизной выдержки, температураборирования 860 С плотность тока 0,12 А/см 2, Рабочий электролит после 100 часов рабо"ты,Т а б л и ц а 4 Влияние прогрессивной шкалы увеличения времени безэлектролизной выдержки на результаты электролизного борирования фТолщинасплошногоборидногослоя мкм Толщинаприкатод"ной кор"ки, мм Оценка величины времениувеличения безэлектролиз"ной выдержкитат ватаевивеиа иитти Недостаточное - малый рост боридного слоя Оптимальное 1 11, 60 0,71 0,17 0,0039 5 7 10 15 65 68 71 73 0,17 0,17 0,18 0,18 0,70 0,69 0,68 0,67 О, 0039 0,0039 0,0040 0,0041 Неэффективное " малое увеличение слоя боридов 0,0041 0,6 0,18 74 11 аю ееаДанные приведены для стали 45, времени7/10 + 7/(10+К) + 7/(1 О+2 К), где числитель - время электролизной выдержки,знаменатель " время безэлектролизной выдержки, температура 860 С плотностьтока 0,12 А/смз, Рабочий электролит после 100 часов работы, Т а б л и ц а 5 ивв аввававивеи еееюивеиви аКоличество растворенныхпримесей в электролите вес.Ф Способборирования Толщинапри катод"ной корки,мм Эксплуататционнаястойкостьчасы после 100 часов работы металлосодер"жащих,претдельнопод. металлов граФита ю По прото" типу0,18 0,2-0,4 4 а 5 1 а 2 0 13 0 17 200 300 0,1 Т 0,2., 0,003 в 0,005 1200 в 1500 По предла"гаемому 0,5 т 1 0,2 а 0,4 0,21ив Времяувелич.безэлектрол,выдержки,К,мин Количест"во растворенных мет,в электро"литеь Количество растворен" ных мет.в электролите, ь Удельнаявеличинаизменениятолщиныанодов,мм/часв Недостаточное - большая толщина прикатодной коркиТо жеОптимальноетаИзбыточное - малый росттолщины боридного слояТо жеТо же Удельная величина изменения толщ.анода мм/час1763518 Таблица 6 Влияние способа борирования на фиэико-механические свойства УОМикротвердость,. Н ИПа Коэф. сопротив"лен. хррпкК с тМПам Я Кол-во фа"эы ГеВ, 2 Иа рка стали подслои Ге, В ГеВ РеВ РеаВи е г В По прототипу 45 65"75 У 8 50"55 4 бх 60-70 Предлагае"мый Составитель В,Мостовой Редактор Н.Полионова Техред М.Моргентал Корректор Л,ЛивренцЗаказ 3431 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101 Способборирования 45У 840 х Толщинаборидн.слоя,мкм 60-70 45-50 50-60 10-15 12"15 15-20 18200300 14600-300 1400.60 19200630 15600-350 1800-60 21380.400 18600 400 300060 17300.150 1480-30 17800.650 2300-30 16000-500 3500.30 1,40.0,51 1,18.0,51 1 10 0 51 2,63-0 ю 33 2,3010,33 2,20 0,33 3,67.0,33 3,790,33 3,55. 0,33