RU2190689C1

RU2190689C1 - Method of boron-silicon cladding of steel articles in fluidized bed

Info

Publication number: RU2190689C1
Application number: RU2001109712/02A
Authority: RU
Inventors: Ю.А. Баландин
Original assignee: Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И.Носова
Priority date: 2001-04-11
Filing date: 2001-04-11
Publication date: 2002-10-10

Abstract

FIELD: metallurgy; thermochemical treatment of metals and alloys; enhancing wear-, heat- and corrosion-resistance of machine elements for metallurgy, aviation, chemical industry, shipbuilding, mechanical engineering, etc. SUBSTANCE: method includes heating, saturation in powder-like medium containing boron carbide, silicon, copper-containing component and ammonium chloride followed by cooling. Boron-silicon cladding is effected in fluidized bed at temperature of 600-1000 C in powder-like medium additionally containing sodium tetrafluoroborate, corundum, cuprous oxide used as cuprum-containing component at the following relationship of components, mas.%: boron carbide, 5-25; silicon, 2-10; cuprous oxide, 0.05-0.25; sodium tetrafluoro borate, 0.1-0.5; ammonium chloride, 0.1-0.25; corundum, 64-92.75; in the course of heating to temperatures of boron- silicon cladding, articles are kept at temperature of 350-500 C for 5-25 min. EFFECT: improved quality of treated surface of articles; reduction of friability of coat by 1.5-2 times; reduction of time required for treatment of articles in power-like medium by 2-4 times. 1 tbl

Description

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. The invention relates to the field of metallurgy, and in particular to chemical-thermal treatment of metals and alloys and can be used to increase the wear, heat, and corrosion resistance of machine parts at metallurgical, aviation, chemical, shipbuilding, machine-building and other industries.

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).A known method of borosilicon steel products, including heating and saturation of products in a powder medium containing the following components, wt. %:
Boric anhydride - 10-40
Silicocalcium - 40-50
Copper oxide - 10-20
Aluminum fluoride - 3-5
Aluminum Oxide - Else
In this case, the saturation of the steel product is carried out for 4 hours at a temperature of 900 and 1000 ^o C (ed. St. USSR 977514, C 23 C 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. The disadvantage of this method is the high brittleness of the coating, low saturation rate and poor surface quality due to the formation of an oxide film and the difficulty of accessing the gas phase directly to the surface of the product, which reduces the plasticizing effect of copper.

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).The closest analogue to the claimed object is a composition for borosiliconization of steel products, the description of which discloses a method of borosiliconation, including heating and saturation of steel products in a powder mixture and their subsequent cooling. While the powder mixture contains the following components, wt. %:
Boron Carbide - 46-56
Borax - 6-10
Silicon - 26-34
Copper Powder - 7-11
Ammonium Chloride - 1-3
Saturation of steel products is carried out at 900 ^o C for 4 hours (ed. St. USSR 977513, C 23 C 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. The disadvantage of this method is the high brittleness of the coating, the low rate of saturation and the poor surface quality due to the low intensity of formation of active copper atoms, as a result of which the intensifying and plasticizing ability of copper is reduced, and the gas phase directly accesses the metal surface.

В основу изобретения поставлена задача улучшения качества поверхности и уменьшения хрупкости покрытия при одновременной интенсификации процесса боросилицирования. The basis of the invention is the task of improving surface quality and reducing the fragility of the coating while enhancing the process of borosilicon.

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.The problem is solved in that in the known method of borosilicon steel products, including heating, saturation in a powder medium containing boron carbide, silicon, a copper-containing component, ammonium chloride and subsequent cooling, according to the invention, borosilicon is carried out in a fluidized bed at 600-1000 ^o C in a powdery medium additionally containing sodium tetrafluoroborate, corundum, and copper oxide in the following ratio, wt.% as a copper-containing component. %:
Boron Carbide - 5-25
Silicon - 2-10
Copper oxide - 0.05-0.25
Sodium tetrafluoroborate - 0.1-0.5
Ammonium Chloride - 0.1-0.25
Corundum - 64-92.75
and in the process of heating to borosilicon temperatures, the product is held at 350-500 ^o C for 5-25 minutes.

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.The method of borosilicon steel products is as follows. Pre-prepared powder mixture for borosilicon products by mixing the following components, wt. %:
Boron Carbide - 5-25
Silicon - 2-10
Copper oxide - 0.05-0.25
Sodium tetrafluoroborate - 0.1-0.5
Ammonium Chloride - 0.1-0.25
Corundum - 64-92.75
Steel products are loaded into the retort with the specified powder mixture and they are heated simultaneously with the heating of the saturating powder medium. In the process of heating at a temperature of the powdery medium 350-500 ^o With spend the exposure of steel products for 5-25 minutes Then the temperature is increased to 600-1000 ^o With and carry out the saturation of steel products, after which they are cooled.

Карбид бора вводится в состав насыщающей смеси с целью получения на поверхности стальных изделий слоя, содержащего бориды железа. Boron carbide is introduced into the saturating mixture in order to obtain a layer containing iron borides on the surface of steel products.

Кремний вводится в состав смеси с целью получения на поверхности изделий слоя, состоящего из силицидов железа. Silicon is introduced into the composition of the mixture in order to obtain on the surface of the products a layer consisting of iron silicides.

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. The presence of copper oxide in the composition makes it possible to obtain active copper atoms due to chemical reactions between the components of the mixture, as a result of which, when the medium is heated to saturation temperatures, a fusible Cu-B-Si eutectic is formed on the surface of the products. In this case, conditions are created for more active processes of diffusion of copper, boron and silicon atoms into the surface of the processed products, and the fragility of the coating is reduced due to the dissolution of copper in borides and iron silicides.

Тетрафторборат натрия вводится в состав как активирующая добавка, способствующая освобождению бора, адсорбции и диффузии его в стальную поверхность. Sodium tetrafluoroborate is introduced into the composition as an activating additive, contributing to the release of boron, its adsorption and diffusion into the steel surface.

Хлористый аммоний вводится в состав смеси как активирующая добавка, позволяющая проводить процесс боросилицирования в псевдоожиженном слое без спекания насыщающей смеси. Ammonium chloride is introduced into the composition of the mixture as an activating additive, allowing the borosiliconization process to be carried out in the fluidized bed without sintering the saturating mixture.

Корунд предназначен для создания псевдоожиженного слоя. Corundum is designed to create a fluidized bed.

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.The creation of a fluidized bed in the inventive method allows to reduce the time of saturation and heating time of the saturating medium, and also provides uniform heating of the processed products. When borosiliconizing steel products in a fluidized bed at a temperature of 600-1000 ^o With particles of the inventive saturating medium in contact with the metal surface is many times more intense than with the usual method of borosilicon. As a result of this, the metal surface of the product is cleaned of the film of compounds B ₂ O ₃ and BCl and thereby facilitates the access of the gas phase directly to the surface of the material. And since the borosiliconization process in the fluidized bed proceeds mainly due to the gas-phase process, the above result provides a high saturation rate. Moreover, in the inventive method, the activity of the saturating medium in the fluidized bed is much higher than with conventional powder borosilicon due to the special properties of the fluidized material. Atoms of active boron and silicon are adsorbed on the surface of the product much faster than their diffusion deep into the metal. In this regard, the concentration of active boron and silicon atoms on the surface of the saturated material rapidly increases to the concentration of iron borides and iron silicides, and the time for their formation is significantly reduced, which leads to an intensification of the borosilicon process while improving the quality of the processed products.

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.The exposure of the product for 5-25 minutes in the temperature range 350-500 ^o With helps to improve the surface quality of steel products due to the formation of a high-quality copper layer on it.

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.Exposure of products at temperatures below 350 ^o With reduces the stability of the processes of recovery and adsorption of copper on the surface of the products, which leads to the formation of a porous coating upon further heating to saturation temperatures. At holding temperatures above 500 ^o With on the surface of the processed products a porous coating is formed.

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.When the exposure time of the products is less than 5 minutes in the temperature range 350-500 ^o With the recovery process of copper is not complete, which leads to the formation of a porous coating with further heating to borosilicon temperatures. Exposure for more than 25 minutes is impractical, since the process of complete recovery of copper takes place within 5-25 minutes, and therefore a longer exposure will lead to irrational consumption of the saturating mixture. At a borosilicon temperature below 600 ^{° C.} , the formation of iron borides and silicides does not occur. Heating products to temperatures above 1000 ^o With impractical due to the receipt of products with low properties.

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. The introduction of boron carbide in the saturating medium composition of less than 5 wt.% Leads to instability of the process of saturation of the surface of products with boron, which reduces the thickness of borosilicon layers. An increase in boron carbide content of more than 25 wt.% Leads to sintering of the saturating mixture, and is also impractical in order to save material.

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. A decrease in silicon content of less than 2 wt.% Leads to instability of the process of saturation of the surface of products with silicon, thereby reducing the thickness of the siliconized layer. An increase in silicon content of more than 10 wt.% Is impractical in order to save materials.

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. A decrease in the content of copper oxide less than 0.05 wt.% Reduces the stability of the processes of adsorption and diffusion of copper atoms into the steel surface, which leads to a decrease in the rate of formation of borosilicon layers. An increase in copper oxide content of more than 0.25 wt.% Worsens the technical properties of the diffusion layer, reducing surface hardness, and also degrades the quality of the borosilicon surface of steel products, forming a porous layer of copper on their surface.

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. A decrease in the content of sodium tetrafluoroborate in the medium of less than 0.1 wt.% Leads to instability of the processes of the release of boron atoms, its adsorption and diffusion into the steel surface. The increase in its content of more than 0.5 wt.% Is impractical in order to save material.

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. The introduction of ammonium chloride in a saturating mixture of less than 0.1 wt.% Leads to instability of the process of recovery of copper oxide, as well as instability of the transfer of boron, silicon and copper atoms to a saturated surface, thereby reducing the saturation ability of the medium. An increase in its content of more than 0.25 wt.% Is inappropriate to save material.

Для обоснования преимуществ заявляемого способа по сравнению со способом, взятом за прототип, были проведены лабораторные испытания. To substantiate the advantages of the proposed method in comparison with the method taken as a prototype, laboratory tests were conducted.

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. Samples of steel 45 with a diameter of 5 mm and a length of 50 mm were subjected to borosilicon by the claimed and known method under appropriate comparative conditions in order to determine the saturation ability of the medium. The compositions of the saturating medium, the modes of borosilicon and the results of metallographic studies of the processed products are shown in the table.

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. From the above data it follows that borosiliconization of steel products in a fluidized bed by the claimed method in comparison with the prototype improves the quality of the treated surface of the products, reduces the brittleness of the coating by 1.5-2 times, reduces the processing time in a saturating mixture by 2-4 times.

Claims

A method of borosilicating steel products, including heating, saturation in a powder medium containing boron carbide, silicon, a copper-containing component, ammonium chloride, and subsequent cooling, characterized in that the borosilicon is carried out in a fluidized bed at 600-1000 ^o C in a powder medium, additionally containing sodium tetrafluoroborate, corundum, and copper oxide as a copper-containing component in the following ratio of components, wt.%: boron carbide - 5-25; silicon - 2-10; copper oxide - 0.05-0.25; sodium tetrafluoroborate - 0.1-0.5; ammonium chloride - 0.1-0.25; corundum - 64-92.75, and in the process of heating to borosilicon temperatures, the products are aged at 350-500 ^o C for 5-25 minutes.