RU2391440C2

RU2391440C2 - Method of silicon boron coating of steel items

Info

Publication number: RU2391440C2
Application number: RU2002109878/02K
Authority: RU
Inventors: Юрий Александрович Баландин (RU); Юрий Александрович Баландин
Original assignee: Открытое акционерное общество "Магнитогорский металлургический комбинат"
Priority date: 2002-04-15
Filing date: 2002-04-15
Publication date: 2010-06-10
Also published as: RU2002109878A; RU2223345C2

Abstract

FIELD: metallurgy.

SUBSTANCE: invention refers to metallurgy, particularly to chemical and thermal processing of metals and alloys. Method involves item saturation in powder mix containing boron carbide, ammonia chloride and copper-containing component. Saturation is performed at 600-1200°C in fluidised layer in powder mix containing additionally aluminium fluoride and corundum, and copper oxide as copper-containing component, at the following component ratio, wt %: boron carbide 5-35, silicon 1-20, copper oxide 0.05-2, ammonia chloride 0.05-1, aluminium fluoride 0.1-0.5, corundum 41.5-93.8. Before saturation, items are heated to 450-550°C in fluidised layer in ammonia medium, matured for 15-25 minutes, gas products are evacuated, and items are cooled down after saturation. Improvement of steel surface finish is achieved along with boron silicon coating intensification.

EFFECT: enhanced wear, heat and corrosion resistance of machine parts for metallurgy, aircraft manufacturing, chemical industry, shipbuilding, mechanical engineering and other industries.

1 tbl, 1 ex

Description

Изобретение относится к области металлургии, а именно к химико-термической обработке металлов и сплавов, и предназначается для повышения износо-, жаро- и коррозионной стойкости деталей машин, может использоваться на предприятиях металлургической, авиационной, химической, судостроительной, машиностроительной и других отраслей промышленности.The invention relates to the field of metallurgy, in particular to the chemical-thermal treatment of metals and alloys, and is intended to increase the wear, heat and corrosion resistance of machine parts, can be used in enterprises of the metallurgical, aviation, chemical, shipbuilding, engineering 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°С (см. авт. св. СССР №977514, С23С 9/04, 1982).A known method of borosiliconization of 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, fluoride aluminum 3-5, aluminum oxide - the rest . In this case, the steel product is saturated for 4 hours at a temperature of 900 and 1000 ° C (see ed. St. USSR No. 977514, C23C 9/04, 1982).

Недостатками известного способа являются 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 интенсифицирующее действие меди.The disadvantages of this method are the 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, as a result of which the intensifying effect of copper is reduced.

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 температуре 900°С в течение 4 часов (см. авт. св. СССР №977513, С23С 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. 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 a temperature of 900 ° C for 4 hours (see ed. St. USSR No. 977513, C23C 9/02, 1982).

Недостатками указанного способа являются 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 затруднения доступа газовой фазы непосредственно к поверхности металла.The disadvantages of this method are the low speed of the saturation process and poor surface quality due to the low intensity of the formation of active copper atoms, which reduces the intensifying and plasticizing ability of copper, as well as the difficulty of accessing the gas phase directly to the metal surface.

В основу изобретения поставлена задача улучшения качества поверхности стальных изделий при одновременной интенсификации процесса боросилицирования.The basis of the invention is the task of improving the surface quality of steel products while enhancing the process of borosilicon.

Поставленная задача достигается способом боросилицирования стальных изделий, включающим насыщение изделий в порошкообразной смеси, содержащей карбид бора, кремний, хлористый аммоний и медьсодержащий компонент, причем насыщение проводят при 600-1200°С в псевдоожиженном слое в порошкообразной смеси, которая дополнительно содержит фтористый алюминий и корунд, а в качестве медьсодержащего компонента - окись меди при следующем соотношении компонентов, мас.%: карбид бора 5-35, кремний 1-20, окись меди 0,05-2, хлористый аммоний 0,05-1, фтористый алюминий 0,1-0,5, корунд 41,5-93,8, при этом перед насыщением изделия нагревают в псевдоожиженном слое в атмосфере аммиака до 450-550°С, проводят выдержку в течение 15-25 мин и откачивают газообразные продукты, а после насыщения изделия охлаждают.The problem is achieved by the method of borosilicon steel products, including saturation of products in a powder mixture containing boron carbide, silicon, ammonium chloride and a copper-containing component, and saturation is carried out at 600-1200 ° C in a fluidized bed in a powder mixture, which additionally contains aluminum fluoride and corundum and as a copper-containing component - copper oxide in the following ratio of components, wt.%: boron carbide 5-35, silicon 1-20, copper oxide 0.05-2, ammonium chloride 0.05-1, aluminum fluoride 0, 1-0.5, corundum 41.5-93.8, while before saturation, the products are heated in a fluidized bed in an atmosphere of ammonia to 450-550 ° C, hold for 15-25 minutes and pump out gaseous products, and after saturation products cool.

Способ боросилицирования стальных изделий осуществляется следующим образом: предварительно готовят порошкообразную смесь для боросилицирования путем смешивания следующих компонентов, мас.%: карбида бора 5-35, порошка кремния 1-20, окиси меди 0,05-2, хлористого аммония 0,05-1, фтористого алюминия 0,1-0,5 и корунда 41,5-93,8. В реторту с указанной порошкообразной смесью загружают стальные изделия. Из реторты откачивают воздух, закачивают аммиак и осуществляют нагрев изделий одновременно с нагревом насыщающей порошкообразной смеси. В процессе нагрева при температуре порошкообразной смеси 450-550°С осуществляют выдержку стальных изделий в течение 15-20 минут, после чего откачивают газообразные продукты. Затем температуру повышают до температур боросилицирования 600-1200°С и осуществляют насыщение стальных изделий, после чего их охлаждают.The borosiliconization method for steel products is as follows: a powder mixture is prepared for borosilicon by mixing the following components, wt.%: Boron carbide 5-35, silicon powder 1-20, copper oxide 0.05-2, ammonium chloride 0.05-1 , aluminum fluoride 0.1-0.5 and corundum 41.5-93.8. Steel products are loaded into a retort with said powder mixture. Air is pumped out of the retort, ammonia is pumped in, and the products are heated simultaneously with the heating of the saturating powder mixture. In the process of heating at a temperature of the powder mixture 450-550 ° C, the steel products are exposed for 15-20 minutes, after which the gaseous products are pumped out. Then the temperature is increased to borosilicon temperatures of 600-1200 ° C and steel products are saturated, 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 composition of the saturating mixture in order to obtain a layer containing iron borides on the surface of steel products.

Введение в состав насыщающей смеси карбида бора менее 5 мас.% приводит к нестабильности протекания процесса насыщения поверхности изделий бором, тем самым снижая толщину боросилицированных слоев. Увеличение содержания карбида бора более 35 мас.% приводит к спеканию насыщающей смеси, в результате чего ухудшается качество покрытия, а также нецелесообразно в целях экономии материала.Introduction to the composition of the saturating mixture of boron carbide less than 5 wt.% Leads to instability of the process of saturation of the surface of products with boron, thereby reducing the thickness of borosilicon layers. An increase in boron carbide content of more than 35 wt.% Leads to sintering of the saturating mixture, as a result of which the quality of the coating is deteriorated, and also impractical in order to save material.

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.

Уменьшение содержания кремния менее 1 мас.% приводит к нестабильности процесса насыщения поверхности изделий кремнием, тем самым уменьшает толщину силицированного слоя. Увеличение содержания кремния более 20 мас.% нецелесообразно в целях экономии материалов.A decrease in silicon content of less than 1 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 20 wt.% Is impractical in order to save materials.

Присутствие в составе смеси окиси меди позволяет получать активные атомы меди за счет химических реакций между компонентами смеси. При нагреве смеем до температур насыщения на поверхности изделий образуется легкоплавкая эвтектика Сu-В-Si. При этом создаются условия для более благоприятного протекания процессов диффузии атомов меди, бора и кремния в поверхность изделий.The presence of copper oxide in the mixture makes it possible to obtain active copper atoms due to chemical reactions between the components of the mixture. When heated, we dare to saturation temperatures on the surface of the products formed fusible eutectic Cu-B-Si. In this case, conditions are created for a more favorable course of diffusion of copper, boron and silicon atoms into the surface of the products.

Уменьшение содержания окиси меди менее 0,05 мас.% снижает стабильность процессов адсорбции и диффузии атомов меди в стальную поверхность, тем самым снижает скорость формирования боросилицированных слоев. Увеличение содержания окиси меди более 2 мас.% ухудшает технические свойства диффузионного слоя, снижая поверхностную твердость, а также ухудшает качество боросилицированной поверхности стальных изделий, образуя пористый слой меди на поверхности.The 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 in the steel surface, thereby reducing the rate of formation of borosilicon layers. An increase in the content of copper oxide of more than 2 wt.% Degrades 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 the 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, which allows the borosilicon process to be carried out in a fluidized bed without sintering the saturating mixture.

Введение в насыщающую смесь хлористого аммония менее 0,05 мас.% приводит к нестабильности протекания процесса восстановления окиси меди, а также к нестабильности процесса переноса атомов бора, кремния и меди к насыщаемой поверхности, тем самым уменьшая насыщающую способность состава. Увеличение его содержания более 1 мас.% нецелесообразно в целях экономии материала.The introduction of ammonium chloride in a saturating mixture of less than 0.05 wt.% Leads to instability of the process of copper oxide reduction, as well as instability of the transfer of boron, silicon and copper atoms to a saturated surface, thereby reducing the saturation ability of the composition. An increase in its content of more than 1 wt.% Is impractical in order to save material.

Фтористый алюминий вводится как активирующая добавка, способствующая освобождению бора, адсорбции и диффузии его в стальную поверхность.Aluminum fluoride is introduced as an activating additive that promotes the release of boron, its adsorption and diffusion into the steel surface.

Уменьшение содержания в смеси фтористого алюминия менее 0,1 мас.% приводит к нестабильности протекания процессов освобождения атомов бора, адсорбции и диффузии его в стальную поверхность, что приводит к уменьшению насыщающей способности смеси и ухудшает качество покрытия. Увеличение его содержания более 0,5 мас.% нецелесообразно в целях экономии материала.A decrease in the content of aluminum fluoride in the mixture 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, which leads to a decrease in the saturation ability of the mixture and degrades the quality of the coating. An increase in its content of more than 0.5 wt.% Is impractical in order to save material.

Корунд вводится в состав смеси 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°С 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 В₂О₃ и ВСl 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 в глубь 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.Corundum is introduced into the mixture to create a fluidized bed. 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 ° C, the particles of the inventive saturating medium are in contact with the metal surface many times more intensively than with the conventional 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 borosilicon powder, 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.

Химические реакции между компонентами смеси и аммиаком создают условия для увеличения активности смеси и улучшения качества боросилицированной поверхности.Chemical reactions between the components of the mixture and ammonia create the conditions for increasing the activity of the mixture and improving the quality of the borosilicon surface.

После восстановления окиси меди присутствие аммиака в среде нецелесообразно, так как при дальнейшей нагреве это приводит к ухудшению качества боросилицированной поверхности стальных изделий. Поэтому после выдержки 15-25 минут производят откачку газообразных продуктов из реторты.After the reduction of copper oxide, the presence of ammonia in the medium is impractical, since with further heating this leads to a deterioration in the quality of the borosilicon surface of steel products. Therefore, after holding for 15-25 minutes, gaseous products are pumped out of the retort.

При времени выдержки 15-25 минут в интервале температур 450-550°С на поверхности стальных изделий образуется качественный слой меди. При температурах выдержки ниже 450°С снижается стабильность протекания процессов восстановления и адсорбции меди на поверхности изделий, что приводит к образованию пористого покрытия при дальнейшем нагреве до температур насыщения, что снижает качество покрытия. При температурах выдержки выше 550°С на поверхности изделий образуется пористое покрытие, что снижает качество покрытия.When the exposure time is 15-25 minutes in the temperature range 450-550 ° C, a high-quality copper layer forms on the surface of steel products. At holding temperatures below 450 ° C, the stability of the processes of recovery and adsorption of copper on the surface of the products decreases, which leads to the formation of a porous coating upon further heating to saturation temperatures, which reduces the quality of the coating. At holding temperatures above 550 ° C, a porous coating forms on the surface of the products, which reduces the quality of the coating.

При времени выдержки менее 15 минут в интервале температур 450-550°С процесс восстановления меди проходит не полностью, что приводит к образованию пористого покрытия при дальнейшем нагреве до температур боросилицирования, что снижает качество покрытия. Выдержка более 25 минут нецелесообразна, так как за время 15-25 минут процесс восстановления меди проходит полностью и на поверхности изделий образуется качественный плотный слой меди.When the exposure time is less than 15 minutes in the temperature range 450-550 ° C, the copper recovery process is not complete, which leads to the formation of a porous coating with further heating to borosilicon temperatures, which reduces the quality of the coating. Exposure for more than 25 minutes is impractical, since in the course of 15-25 minutes the copper recovery process takes place completely and a high-quality dense copper layer forms on the surface of the products.

Все материалы используются в виде порошков.All materials are used in the form of powders.

ПРИМЕР. Образцы стали 45 диаметров 5 мм и длиной 50 мм подвергали боросилицированию предлагаемым и известным способами при соответствующих сопоставительных режимах с целью определения насыщающей способности состава и качества боросилицированного покрытия. Результаты металлографических исследований приведены в таблице.EXAMPLE. Samples of steel 45 with diameters of 5 mm and a length of 50 mm were subjected to borosilicon by the proposed and known methods under appropriate comparative conditions in order to determine the saturation ability of the composition and quality of the borosilicated coating. The results of metallographic studies are shown in the table.

Из приведенных данных следует, что боросилицирование стальных изделий предлагаемым способом по сравнению с прототипом улучшает качество обработанной поверхности изделий, сокращает время обработки в насыщающей смеси в 2-4 раза.From the above data it follows that borosiliconization of steel products by the proposed method in comparison with the prototype improves the quality of the processed surface of the products, reduces the processing time in a saturating mixture by 2-4 times.

Claims

A method of borosilicating steel products, including saturation of products in a powder mixture containing boron carbide, silicon, ammonium chloride and a copper-containing component, characterized in that the saturation is carried out at 600-1200 ° C in a fluidized bed in a powder mixture, which additionally contains aluminum fluoride and corundum and as a copper-containing component - copper oxide in the following ratio of components, wt.%: boron carbide 5-35, silicon 1-20, copper oxide 0.05-2, ammonium chloride 0.05-1, aluminum fluoride 0.1 -0.5, corundum 41.5-93.8, with prior to saturation, the products are heated in a fluidized bed in an atmosphere of ammonia to 450-550 ° C, held for 15-25 minutes and gaseous products are pumped out, and after saturation, the products are cooled.