RU2691431C1 - Boron-aluminizing method of steel surface - Google Patents
Boron-aluminizing method of steel surface Download PDFInfo
- Publication number
- RU2691431C1 RU2691431C1 RU2018131820A RU2018131820A RU2691431C1 RU 2691431 C1 RU2691431 C1 RU 2691431C1 RU 2018131820 A RU2018131820 A RU 2018131820A RU 2018131820 A RU2018131820 A RU 2018131820A RU 2691431 C1 RU2691431 C1 RU 2691431C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- boron
- coating
- aluminum
- steel
- layer
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 54
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 38
- 239000010959 steel Substances 0.000 title claims abstract description 38
- 238000005269 aluminizing Methods 0.000 title claims abstract description 6
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims abstract description 55
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims abstract description 39
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 claims abstract description 34
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N Boron Chemical compound [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 31
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 25
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims abstract description 25
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 22
- 229910015372 FeAl Inorganic materials 0.000 claims abstract description 18
- 229910001610 cryolite Inorganic materials 0.000 claims abstract description 15
- 239000004615 ingredient Substances 0.000 claims abstract description 14
- 229910000765 intermetallic Inorganic materials 0.000 claims abstract description 14
- 229910052580 B4C Inorganic materials 0.000 claims abstract description 13
- INAHAJYZKVIDIZ-UHFFFAOYSA-N boron carbide Chemical compound B12B3B4C32B41 INAHAJYZKVIDIZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 13
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims abstract description 13
- 230000004907 flux Effects 0.000 claims abstract description 13
- 239000012190 activator Substances 0.000 claims abstract description 9
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims abstract description 9
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims abstract description 5
- 230000005672 electromagnetic field Effects 0.000 claims abstract description 5
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 claims abstract description 5
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 42
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims description 13
- -1 aluminum compound Chemical class 0.000 claims description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 7
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 abstract description 4
- 239000010953 base metal Substances 0.000 abstract description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 3
- 238000005272 metallurgy Methods 0.000 abstract description 3
- 238000009738 saturating Methods 0.000 abstract description 3
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 21
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 14
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 12
- 239000000047 product Substances 0.000 description 11
- 230000005496 eutectics Effects 0.000 description 9
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 8
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 7
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 7
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 6
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 5
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 5
- 239000000463 material Substances 0.000 description 5
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 4
- 229910021326 iron aluminide Inorganic materials 0.000 description 4
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 4
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 4
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 4
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 4
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 4
- PUZPDOWCWNUUKD-UHFFFAOYSA-M sodium fluoride Chemical compound [F-].[Na+] PUZPDOWCWNUUKD-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 4
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 3
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 3
- 239000007791 liquid phase Substances 0.000 description 3
- 229910001120 nichrome Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 3
- 239000011253 protective coating Substances 0.000 description 3
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N Acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910000951 Aluminide Inorganic materials 0.000 description 2
- RTZKZFJDLAIYFH-UHFFFAOYSA-N Diethyl ether Chemical compound CCOCC RTZKZFJDLAIYFH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- AZDRQVAHHNSJOQ-UHFFFAOYSA-N alumane Chemical class [AlH3] AZDRQVAHHNSJOQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 description 2
- 229910052729 chemical element Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 2
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 2
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 2
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 2
- 238000011049 filling Methods 0.000 description 2
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 2
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 2
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 2
- 238000011089 mechanical engineering Methods 0.000 description 2
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 2
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 2
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 2
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 2
- 239000011775 sodium fluoride Substances 0.000 description 2
- 235000013024 sodium fluoride Nutrition 0.000 description 2
- 239000007790 solid phase Substances 0.000 description 2
- 238000005406 washing Methods 0.000 description 2
- 239000002699 waste material Substances 0.000 description 2
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- RSWGJHLUYNHPMX-UHFFFAOYSA-N Abietic-Saeure Natural products C12CCC(C(C)C)=CC2=CCC2C1(C)CCCC2(C)C(O)=O RSWGJHLUYNHPMX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 1
- KLZUFWVZNOTSEM-UHFFFAOYSA-K Aluminum fluoride Inorganic materials F[Al](F)F KLZUFWVZNOTSEM-UHFFFAOYSA-K 0.000 description 1
- 229910001339 C alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910004261 CaF 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000975 Carbon steel Inorganic materials 0.000 description 1
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 101100110007 Neurospora crassa (strain ATCC 24698 / 74-OR23-1A / CBS 708.71 / DSM 1257 / FGSC 987) asd-1 gene Proteins 0.000 description 1
- BPQQTUXANYXVAA-UHFFFAOYSA-N Orthosilicate Chemical compound [O-][Si]([O-])([O-])[O-] BPQQTUXANYXVAA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000006004 Quartz sand Substances 0.000 description 1
- KHPCPRHQVVSZAH-HUOMCSJISA-N Rosin Natural products O(C/C=C/c1ccccc1)[C@H]1[C@H](O)[C@@H](O)[C@@H](O)[C@@H](CO)O1 KHPCPRHQVVSZAH-HUOMCSJISA-N 0.000 description 1
- 239000004115 Sodium Silicate Substances 0.000 description 1
- 238000002441 X-ray diffraction Methods 0.000 description 1
- 238000013019 agitation Methods 0.000 description 1
- 239000010425 asbestos Substances 0.000 description 1
- 238000009835 boiling Methods 0.000 description 1
- 238000005885 boration reaction Methods 0.000 description 1
- 229910021538 borax Inorganic materials 0.000 description 1
- KGBXLFKZBHKPEV-UHFFFAOYSA-N boric acid Chemical compound OB(O)O KGBXLFKZBHKPEV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000004327 boric acid Substances 0.000 description 1
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 description 1
- 229910001567 cementite Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000013503 de-identification Methods 0.000 description 1
- 238000010908 decantation Methods 0.000 description 1
- 230000032798 delamination Effects 0.000 description 1
- 210000003298 dental enamel Anatomy 0.000 description 1
- 238000007667 floating Methods 0.000 description 1
- 239000003292 glue Substances 0.000 description 1
- 230000006698 induction Effects 0.000 description 1
- 229910052500 inorganic mineral Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 235000000396 iron Nutrition 0.000 description 1
- 150000002506 iron compounds Chemical class 0.000 description 1
- 239000000155 melt Substances 0.000 description 1
- QMQXDJATSGGYDR-UHFFFAOYSA-N methylidyneiron Chemical compound [C].[Fe] QMQXDJATSGGYDR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000011707 mineral Substances 0.000 description 1
- 235000010755 mineral Nutrition 0.000 description 1
- 239000003607 modifier Substances 0.000 description 1
- 239000004570 mortar (masonry) Substances 0.000 description 1
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 description 1
- 238000005121 nitriding Methods 0.000 description 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 1
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 description 1
- TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Al]O[Al]=O TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000006213 oxygenation reaction Methods 0.000 description 1
- 235000011837 pasties Nutrition 0.000 description 1
- 239000003208 petroleum Substances 0.000 description 1
- 239000003209 petroleum derivative Substances 0.000 description 1
- 238000010587 phase diagram Methods 0.000 description 1
- 239000002244 precipitate Substances 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 239000010453 quartz Substances 0.000 description 1
- 230000000717 retained effect Effects 0.000 description 1
- 229910052895 riebeckite Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004576 sand Substances 0.000 description 1
- NTHWMYGWWRZVTN-UHFFFAOYSA-N sodium silicate Chemical compound [Na+].[Na+].[O-][Si]([O-])=O NTHWMYGWWRZVTN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052911 sodium silicate Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004328 sodium tetraborate Substances 0.000 description 1
- 235000010339 sodium tetraborate Nutrition 0.000 description 1
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 description 1
- 239000000725 suspension Substances 0.000 description 1
- KHPCPRHQVVSZAH-UHFFFAOYSA-N trans-cinnamyl beta-D-glucopyranoside Natural products OC1C(O)C(O)C(CO)OC1OCC=CC1=CC=CC=C1 KHPCPRHQVVSZAH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000006163 transport media Substances 0.000 description 1
- 238000003466 welding Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C12/00—Solid state diffusion of at least one non-metal element other than silicon and at least one metal element or silicon into metallic material surfaces
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Other Surface Treatments For Metallic Materials (AREA)
Abstract
Description
Предлагаемое изобретение относится к металлурги, в частности к процессам химико-термической обработки (ХТО), и может быть использовано в машиностроении для поверхностного упрочнения различных изделий из углеродистых сталей.The present invention relates to metallurgists, in particular to the processes of chemical heat treatment (CTO), and can be used in mechanical engineering for surface hardening of various products from carbon steels.
Известно, что бор - исключительно активный и реакционно-способный элемент, легко окисляется и связывается в нитрид даже крайне малыми остаточными концентрациями кислорода и азота в атмосфере печи, борирующей шихте или в металле, что отчасти объясняет длительность и сложность аппаратурного оформления известных процессов диффузионного борирования стали, поэтому при насыщении поверхности стальной детали бором необходимо предотвратить его расходование на конкурирующие химические реакции - окисление и азотирование. В конечном итоге это позволяет обеспечить требуемые физико-механические свойства (твердость, износостойкость) и толщину борированного слоя на упрочняемой детали. Как следствие, насыщение бором стальной поверхности при температурах от 800 до 1300°С требует соблюдения особых мер, позволяющих максимально использовать активный бор для получения износостойкого покрытия необходимой толщины (использование: защитных атмосфер, флюсов, транспортных сред, или активных элементов-модификаторов, вступающих в химические реакции с бором). Однако, в некоторых случаях, потребительских свойств образующегося боридного покрытия оказывается недостаточно, поэтому применяют многокомпонентное насыщение стальной поверхности бором и другими химическими элементами - комплексное насыщение.It is known that boron is an extremely active and reactive element that easily oxidizes and binds to nitride even with extremely small residual concentrations of oxygen and nitrogen in the atmosphere of the furnace, the boron mixture or in the metal, which partly explains the duration and complexity of the instrumentation of the known processes of diffusion boring of steel. therefore, when saturating the surface of a steel part with boron, it is necessary to prevent its expenditure on competing chemical reactions — oxidation and nitriding. In the end, this allows to provide the required physical and mechanical properties (hardness, wear resistance) and the thickness of the borated layer on the hardened part. As a consequence, the boron saturation of the steel surface at temperatures from 800 to 1300 ° C requires adherence to special measures to maximize the use of active boron to obtain a wear-resistant coating of the required thickness (use: protective atmospheres, fluxes, transport media, or active modifier elements entering into chemical reactions with boron). However, in some cases, the consumer properties of the resulting boride coating are not enough; therefore, multicomponent saturation of the steel surface with boron and other chemical elements is used — complex saturation.
В настоящее время известны различные способы комплексного насыщения стальной поверхности: бороалитирование (В+Аl), борохромирование (В+Cr), боротитаниерование (B+Ti) и т.д. Образующиеся комплексные покрытия в значительно большей степени увеличивают сопротивление износу и обеспечивают, кроме того, появление у стальной поверхности новых свойств: коррозионной стойкости, жаростойкости, теплостойкости и ряда других [Малькова Н.Ю. Недостатки процессов и перспективные способы химико-термической обработки // Успехи современного естествознания. - 2007. - №12. - С. 87-87.].Currently, various methods for complex saturation of a steel surface are known: boronation analysis (B + Al), borochroming (B + Cr), boron titanation (B + Ti), etc. The resulting complex coatings significantly increase the resistance to wear and provide, moreover, the appearance of new properties on the steel surface: corrosion resistance, heat resistance, heat resistance and a number of others [Malkova N.Yu. The disadvantages of the processes and promising ways of chemical heat treatment // Successes of modern natural science. - 2007. - №12. - pp. 87-87.].
Одним из таких способов ХТО является бороалитирование, используемое для повышения жаростойкости и износостойкости, реже коррозионной стойкости металлов и сплавов [Ляхович Л.С. и др. Многокомпонентные диффузионные покрытия. - Минск: Изд-во «Наука и техника», 1974.]. Бороалитирование, подобно борированию, осуществляют различными диффузионными методами: в смесях В+Аl (или их соединений), содержащих эти вещества в виде: смеси порошков (шихты), обмазок, паст или суспензий (шликеры), а также в жидком или газообразном состоянии [Химико-термическая обработка металлов и сплавов: справочник./ Борисенок Г.В., Васильев Л.А., Ворошнин Л.Г и др. - М.: Металлургия, 1981.].One of these methods is chemical boron catalytic oxidation used to improve heat resistance and wear resistance, less corrosion resistance of metals and alloys [Lyakhovich L.S. and others. Multicomponent diffusion coatings. - Minsk: Science and Technology Publishing House, 1974.]. Boronization, like boronization, is carried out by various diffusion methods: in mixtures of B + Al (or their compounds) containing these substances in the form of: mixtures of powders (charge), coatings, pastes or suspensions (slips), and also in a liquid or gaseous state [ Chemical-heat treatment of metals and alloys: a reference book. / Borisenok GV, Vasilyev LA, Voroshnin LG, etc. - M .: Metallurgy, 1981.].
Так известен способ (варианты) диффузионного борирования конструкционных сталей и чугунов [Ворошнин Л.Г., и др. Кавитационно-стойкие покрытия на железоуглеродистых сплавах / Под ред. М.Н. Бодяко. - М.: Наука и техника, 1987.] из порошковых смесей (аналог 1), которые содержат в качестве борсодержащих элементов готовые продукты высокотемпературного синтеза: карбид бора, бор аморфный и др., в эти смеси могут быть также введены и соединения алюминия.So is known the method (variants) of diffusion boronation of structural steels and cast irons [Voroshnin LG, et al. Cavitation-resistant coatings on iron-carbon alloys / Ed. M.N. Bodyako. - M .: Science and technology, 1987.] from powder mixtures (analogue 1), which contain finished products of high-temperature synthesis: boron carbide, amorphous boron, etc. as boron-containing elements, aluminum compounds can also be introduced into these mixtures.
Недостатками аналога являются: сложное аппаратурное оформление (технологическая оснастка состоящая из печей с высокими температурами нагрева, до 1100 С°, специальными контейнерами с плавкими затворами) высокая стоимость компонентов, низкая насыщающая способность порошковых смесей, приводящая к длительности способа (4-12 ч), высокая хрупкость получающихся покрытий.The disadvantages of the analogue are: complex instrumentation (technological equipment consisting of furnaces with high heating temperatures, up to 1100 ° C, special containers with fusible closures) high cost of components, low saturability of powder mixtures, leading to the duration of the method (4-12 h), high brittleness of the resulting coatings.
Часть из указанных недостатков может быть устранена использованием, например, способа скоростного ТВЧ-борирования [Мишустин Н.М., Иванайский В.В., Ишков А.В. Состав, структура и свойства износостойких покрытий, полученных на сталях 65Г и 50ХГА при скоростном ТВЧ-борировании // Известия Томского политехнического университета. - 2012. - Т. 320. - №2. - С. 68-72.] (аналог 2), согласно которому борирование поверхности деталей, выполненных из сталей 65Г или 50ХГА, на глубину до 800 мкм, осуществляют путем насыщения их бором в течение 1÷2 мин при ТВЧ-нагреве заготовок покрытых обмазкой на основе смеси карбида бора или аморфного бора с различными активаторами (NH4Cl, СаF2) и плавленым флюсом для индукционной наплавки марки П-0,66.Some of these shortcomings can be eliminated by using, for example, the method of high-speed HDTV-borination [Mishustin N.M., Ivanaysky V.V., Ishkov A.V. Composition, structure and properties of wear-resistant coatings obtained on steels 65G and 50HGA at high-speed high-frequency borated // Bulletin of Tomsk Polytechnic University. - 2012. - T. 320. -
Недостаток этого аналога состоит в том, что при ТВЧ-нагреве стальной поверхности детали до высоких температур 1200-1300°С происходит окисление кислородом воздуха активного бора, выделяющегося из обмазки, а также протекание конкурирующей химической реакции бора с азотом. Оба процесса в совокупности снижают концентрацию активного бора на упрочняемой поверхности детали, что снижает твердость, толщину и износостойкость покрытия. Кроме того, получающиеся покрытия содержат соединения железа только с одним химическим элементом - бором, что не позволяет им проявлять комплекс ценных свойств, как, например, описанным выше покрытиям, полученным при комплексном насыщении поверхности стальных изделий сразу несколькими элементами: В+Аl, В+Сr, B+Ti и т.д.The disadvantage of this analogue is that during high-frequency heating of the steel surface of the part to high temperatures of 1200–1300 ° C, oxygenation of the active boron released from the washings occurs as well as the competing chemical reaction of boron with nitrogen. Both processes together reduce the concentration of active boron on the hardened surface of the part, which reduces the hardness, thickness and wear resistance of the coating. In addition, the resulting coatings contain iron compounds with only one chemical element - boron, which does not allow them to display a complex of valuable properties, such as, for example, the coatings described above, obtained by complex saturation of the surface of steel products with several elements at once: B + Al, B + CR, B + Ti, etc.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению (прототипом), является способ бороалитирования стальных изделий, заключающийся в комплексном диффузионном насыщении их поверхности бором и алюминием из активной обмазки, дополнительно покрытой защитной обмазкой. При этом подготовленные компоненты: карбид бора, алюминий и фторид натрия в порошкообразном состоянии тщательно перемешивают, затем добавляют воду в качестве связующего и доводят до требуемой консистенции. Полученную активную обмазку наносят на стальное изделие и просушивают при температуре 50 С° в течение 0,5÷1,0 ч в сушильной камере до полного удаления влаги. Толщина активной обмазки составляет 2÷4 мм. После этого таким же образом подготавливают защитную обмазку, состоящую из компонентов: эмаль ЭВТ-100, оксид алюминия в массовом соотношении 1:1, доводят до требуемой консистенции с применением силикатного клея иводы в качестве связующего. Затем защитную обмазку наносят поверх активной, а изделия сушат, помещают в печь и проводят бороалитирование при температуре 850÷1050°С в течении 2÷4 ч [Патент №2459011 (RU), МПК6 С23С 8/72, опубл. 20.08.2012, - Бюл. №23].The closest in technical essence to the claimed invention (prototype) is a method for boroalytirovaniya steel products, which consists in the complex diffusion saturation of their surface with boron and aluminum from the active coating, additionally covered with a protective coating. At the same time, the prepared components: boron carbide, aluminum and sodium fluoride are thoroughly mixed in a powdered state, then water is added as a binder and adjusted to the desired consistency. The obtained active coating is applied to the steel product and dried at a temperature of 50 ° C for 0.5 ÷ 1.0 hours in a drying chamber until moisture is completely removed. The thickness of the active coating is 2 ÷ 4 mm. After this, a protective coating consisting of the following components is prepared in the same way: enamel EVT-100, aluminum oxide in a mass ratio of 1: 1, brought to the required consistency using silicate glue and water as a binder. Then a protective coating is applied over the active one, and the products are dried, placed in an oven and boronation is carried out at a temperature of 850 ÷ 1050 ° C for 2 ÷ 4 h [Patent No. 2459011 (RU), IPC 6 C23C 8/72, publ. 08/20/2012, Byul. No. 23].
Прототип устраняет часть недостатков аналогов: частично упрощается аппаратурное оформление технологического процесса (исчезает контейнер с плавким затвором), сокращается время процесса (с 4-12 до 2-4 ч), получающиеся покрытия становятся менее хрупкими (за счет введения алюминия), а также у них появляются дополнительные потребительские свойства, например жаростойкость(за счет введения алюминия).The prototype eliminates some of the shortcomings of the analogs: the instrumentation of the technological process is partially simplified (the container with the fusible bolt disappears), the process time is reduced (from 4-12 to 2-4 hours), the resulting coatings become less brittle (due to the introduction of aluminum), and they appear additional consumer properties, such as heat resistance (due to the introduction of aluminum).
Однако, прототип имеет и свои недостатки: сложность осуществления технологического процесса и подготовительных операций (последовательное приготовление, нанесение двух обмазок), необходимость промежуточной и окончательной сушки образцов пред бороалитированием, высокая длительность процесса (2-4 ч), а также незначительная толщина (80-150 мкм) и твердость образующихся покрытий (80-150 мкм).However, the prototype also has its drawbacks: the complexity of the implementation of the technological process and preparatory operations (sequential preparation, application of two washings), the need for intermediate and final drying of samples with pre-analytical analysis, a high process duration (2-4 hours), and also an insignificant thickness (80- 150 microns) and the hardness of the resulting coatings (80-150 microns).
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является разработка способа бороалитирования стальной поверхности, путем ее ТВЧ-нагрева и проведения процесса в две стадии: 1- насыщение бором с образованием на упрочняемой поверхности боридной эвтектики и 2-стадия насыщения поверхности алюминием.The task to be solved by the invention is to develop a method for boronitrirovaniya steel surface, by its high-frequency heating and carrying out the process in two stages: 1 - saturation with boron with the formation of boride eutectics on the hardened surface and 2-stage surface saturation with aluminum.
Технический результат заявленного изобретения - упрощение осуществления технологического процесса и сокращение его времени, что приводит к снижению влияния высоких температур на механические свойства основного металла.The technical result of the claimed invention is to simplify the implementation of the process and reduce its time, which reduces the influence of high temperatures on the mechanical properties of the base metal.
Указанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе бороалитирования стальной поверхности, включающем ее насыщение бором и алюминием из порошковой шихты, содержащей карбид бора, алюминий или его соединения и активатор, путем нагрева, выдержки до формирования покрытия, и охлаждения, процесс насыщения бором и алюминием ведут в две стадии с нагревом высокочастотным электромагнитным полем: причем, на первой стадии осуществляют борирование, для чего стальную поверхность покрывают слоем шихты, толщиной 2÷3 мм, содержащей карбида бора и флюс П-0,66, в качестве активатора, при следующем соотношении ингредиентов, масс. %:This technical result is achieved by the fact that in the proposed method for boronization of a steel surface, including its saturation with boron and aluminum from a powder mixture containing boron carbide, aluminum or its compounds and an activator, by heating, exposing to coating formation, and cooling, the process of boron saturation and aluminum is carried out in two stages with heating by a high-frequency electromagnetic field: moreover, boring is carried out at the first stage, for which the steel surface is covered with a layer of charge, 2 ÷ 3 mm thick, containing s boron carbide and a flux F-0.66, as an activator, with the following ratio of ingredients, wt. %:
нагревают до температуры 1150÷1250°С, и выдерживают 80÷90 с;heated to a temperature of 1150 ÷ 1250 ° C, and incubated for 80 ÷ 90 s;
а на второй стадии проводят алитирование, для чего на стальную поверхность с предварительно полученным боридным покрытием наносят слой шихты, толщиной 1÷2 мм, содержащей в качестве соединения алюминия - интерметаллид из группы FeAln (где n=2, 3), а в качестве активатора - криолит, при следующем содержании ингредиентов, масс. %:and in the second stage, aluminizing is carried out, for which, a steel layer with a thickness of 1 ÷ 2 mm containing an intermetallic from the group FeAl n (where n = 2, 3) as an aluminum compound (where n = 2, 3) is applied to a steel surface with a pre-obtained boride coating, and as activator - cryolite, with the following content of ingredients, mass. %:
повторно нагревают в среде защитного газа до температуры 1150÷1250°С, до начала протекания экзотермической реакции, после чего выдерживают 5÷10 с. re-heated in protective gas to a temperature of 1150 ÷ 1250 ° C, before the start of the exothermic reaction, and then incubated for 5 ÷ 10 s.
Изобретение иллюстрируется следующими материалами.The invention is illustrated by the following materials.
На фиг. 1. - Таблица составов шихты для получения покрытия на первой стадии предлагаемого способа и некоторые его характеристики.FIG. 1. - Table of the composition of the mixture to obtain a coating in the first stage of the proposed method and some of its characteristics.
На фиг. 2. - Таблица составов шихты для получения покрытия на второй стадии предлагаемого способа и некоторые его характеристики.FIG. 2. - Table of the composition of the mixture to obtain a coating in the second stage of the proposed method and some of its characteristics.
На фиг. 3. - Микроструктура покрытия, полученного на стальной поверхности(материал Ст3) на первой стадии, по предлагаемому способу.FIG. 3. - The microstructure of the coating obtained on the steel surface (material St3) in the first stage, according to the proposed method.
На фиг. 4. - Микроструктура бороалитированного покрытия, полученного на стальной поверхности (материал Ст3) по предлагаемому способу.FIG. 4. - The microstructure of boronite coating obtained on a steel surface (material St3) according to the proposed method.
Изобретение поясняется следующими примерами.The invention is illustrated by the following examples.
Пример 1. Получение предварительного боридного покрытия (первая стадия способа).Example 1. Obtaining preliminary boride coating (the first stage of the method).
Из стали Ст3 вырезали образцы, размером 60×40×8 мм, в количестве 24 шт, на верхнюю поверхность которых наносили борирующую шихту, состоящую из карбида бора, взятого в количествах из концентрационного интервала, масс. % - 80÷90, и плавленого флюса П-0,66 (состоит из ингредиентов: бура/борная кислота/силикокальций/силикат натрия, взятых в известных соотношениях [Ткачев В.Н. Износ и повышение долговечности деталей сельскохозяйственных машин. - М.: Машиностроение. - 1971.]), взятого в количествах из концентрационного интервала, масс. % - 10÷20. Содержание ингредиентов в шихте для определения оптимального состава варьировали в указанных границах с шагом 5 мас. %. Борирующую шихту наносили слоем, толщиной 2÷3 мм с помощью трафарета, после чего подготовленные образцы помещали в индуктор, подключенный к инвертору ЭЛСИТ 100-70/40и подвергали борированию при ТВЧ-нагреве при температуре 1150÷1250°С, в течении времени, взятого из интервала, с: 60÷100. Время ТВЧ-нагрева при борировании образцов для определения оптимального значения варьировали в указанных границах с шагом 20 с. Steel St3 cut samples, size 60 × 40 × 8 mm, in the amount of 24 pieces, on the upper surface of which was applied boronizuyu mixture consisting of boron carbide, taken in amounts from the concentration range, mass. % - 80 ÷ 90, and fused flux P-0,66 (consists of ingredients: borax / boric acid / silicocalcium / sodium silicate, taken in known ratios [Tkachev VN Wear and increase the durability of parts of agricultural machines. - M. : Mechanical Engineering. - 1971.]), taken in quantities from the concentration range, mass. % - 10 ÷ 20. The content of ingredients in the mixture to determine the optimal composition was varied within the specified limits in increments of 5 wt. % The boron mixture was applied in a
После получения покрытия на всех заготовках (в трехкратной повторности) их извлекали из индуктора, свободно охлаждали на воздухе, очищали от остатков борирующей шихты и проводили металлографическое и рентгенофазовое исследование покрытия. На стальной поверхности, после борирования на первой стадии, образовались покрытия, толщиной 300÷450 мкм, с различными физико-механическими свойствами (таблица 1).After receiving the coating on all the blanks (in triplicate), they were removed from the inductor, freely cooled in air, cleaned of the boron charge residues and carried out metallographic and X-ray diffraction studies of the coating. On the steel surface, after boronation in the first stage, coatings were formed with a thickness of 300–450 microns, with different physicomechanical properties (Table 1).
Пример 2. Получение интерметаллидов состава FeAln (где n=2, 3), методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС).Example 2. Obtaining intermetallic compounds of the composition FeAl n (where n = 2, 3), by the method of self-propagating high-temperature synthesis (SHS).
Смешивали в течении 0,5÷1,0 ч в биконусном смесители навески порошка алюминия марки АСД-1 и железа марки ПЖВ-1 в соотношениях (Al/Fe), масс. %: 48/ 52; 60/40. Указанные соотношения ингредиентов обеспечивают получение интерметаллидов состава: FeAl2; FeAl3, в соответствие с фазовой диаграммой системы Fe-Al [Итин В.И., Найбороденко Ю.С. Высокотемпературный синтез интерметаллических соединений. - Томск: Изд-во ТГУ, 1989. - С.].Mixed for 0.5 ÷ 1.0 h in a bicone mixer of a hinge plate of aluminum powder of the grade ASD-1 and iron of the grade PZHV-1 in ratios (Al / Fe), mass. %: 48/52; 60/40. These ratios of ingredients provide intermetallic compounds of the composition: FeAl 2 ; FeAl 3 , in accordance with the phase diagram of the Fe-Al system [V. I. Itin and Yu.S. Nayborodenko. High-temperature synthesis of intermetallic compounds. - Tomsk: TSU publishing house, 1989. - S.].
Полученный состав компактировали, для чего порошковые смеси смачивали 1%-ным раствором канифоли в спирте и перемешивали до получения однородной кашицеобразной массы, из которой на ручном прессе формовали штабики диаметром 15 мм и высотой 50 ч-60 мм при давлении 0,3÷0,6 МПа в разъемной пресс-форме. Полученные заготовки сушили в шкафу при температуре 140-150°С в течение 1÷2 часа. Просушенные образцы обладали удовлетворительной прочностью при перенаски их в реактор, предназначенный для организации протекания реакций в режиме СВС.The resulting composition was compacted, for which the powder mixtures were moistened with a 1% solution of rosin in alcohol and mixed until a homogeneous pasty mass was obtained, from which the pins with a diameter of 15 mm and a height of 50 h-60 mm were molded in a hand press at a pressure of 0.3 ÷ 0, 6 MPa in a split mold. The resulting blanks were dried in a closet at a temperature of 140-150 ° C for 1 ÷ 2 hours. Dried samples had satisfactory strength when transferring them to the reactor, designed to organize the reactions in the SHS mode.
Реактор представляет собой тонкостенную кварцевую трубку, внутренним диаметром 15 мм, высотой 75÷85 мм, на наружную поверхность которой намотана нихромовая спираль для подогрева образцов перед синтезом. Снизу трубка закрыта пробкой с газоподводящей трубкой, поверх которой уложен слой асбеста и насыпан слой кварцевого песка, толщиной 8÷10 мм, сверху в трубку помещена нихромовая спираль для инициирования СВС.The reactor is a thin-walled quartz tube, with an inner diameter of 15 mm, height of 75 ÷ 85 mm, on the outer surface of which is wound a nichrome spiral for heating the samples before synthesis. From the bottom, the tube is closed with a stopper with a gas supplying tube, on top of which a layer of asbestos is laid and a layer of quartz sand 8 ÷ 10 mm thick is poured in, a nichrome spiral is placed in the tube to initiate the SVS.
Образец помещался в реактор на слой песка и предварительно нагревался до температуры 400÷450°C нихромовой спиралью для подогрева, а затем поджигался спиральюдля инициирования СВС, нагреваемыми электрическим током от ЛАТР-а. В течение всего процесса получения интерметаллида и его охлаждения (до 200÷250°С) в реактор подавался ток аргона под избыточным давлением 0,2÷0,3 МПа. После извлечения из реактора и охлаждения штабика до комнатной температуре его измельчали в ступке и просеивали через сито №0,315.The sample was placed in the reactor on a layer of sand and preheated to a temperature of 400 ÷ 450 ° C with a nichrome spiral for heating, and then set on fire by a spiral to initiate SHS heated by electric current from LATR-a. During the entire process of obtaining the intermetallic compound and its cooling (up to 200 ÷ 250 ° C), argon current was supplied to the reactor under an overpressure of 0.2 ÷ 0.3 MPa. After removing the reactor from the reactor and cooling it to room temperature, it was crushed in a mortar and sieved through a No. 0.315 sieve.
Полученный продукт очищали от непрореагировавших железа и алюминия, для чего его сначала намагничивали естественным образом в течение 3÷5 сут., а затем извлекали частицы железа постоянным магнитом, далее полученный продукт очищали от непрореагировавшего алюминия, высыпая его при перемешивании в нефрас, уайт-спирит или петролейный эфир, после чего проводили 2-3 кратную декантацию нефтепродукта с всплывшими, несмачиваемыми частицами алюминия от осадка. Окончательно порошок отфильтровывали на фильтре «синяя лента», промывали сначала чистым нефтепродуктом, а затем ацетоном, и сушили 1-2 ч на воздухе. Готовый продукт содержал от 90 до 95 масс. % интерметаллида заданного состава (установлено рентгенофазовым анализом).The resulting product was purified from unreacted iron and aluminum, for which it was first magnetized naturally for 3 ÷ 5 days, and then iron particles were removed with a permanent magnet, then the resulting product was purified from unreacted aluminum, pouring it under agitation into nefras, mineral spirit or petroleum ether, followed by 2-3 times decantation of the petroleum product with floating up, non-wettable aluminum particles from the precipitate. Finally, the powder was filtered on a “blue ribbon” filter, washed first with a clean oil product, and then with acetone, and dried for 1-2 hours in air. The finished product contained from 90 to 95 wt. % intermetallic compound of a given composition (established by X-ray phase analysis).
Пример 3. Получение окончательного бороалитированного покрытия (вторая стадия способа).Example 3. Getting the final boronitee coating (the second stage of the method).
Приготовленный по прим. 2 состав интерметаллида из группы FeAln (где n=2, 3) смешивали в биконусном смесители в течение 0,5÷1 ч с порошком криолита в следующем соотношении, мас. %: интерметаллид - 90÷85; криолит - 10÷15. Содержание ингредиентов в шихте для определения оптимального состава варьировали в указанных границах с шагом 5 мас. %. Выбор оптимального состава шихты приведен в таблице 2 (выделено серым).Cooked to approx. 2 the composition of the intermetallic compound from the group FeAl n (where n = 2, 3) was mixed in a bicone mixer for 0.5 ÷ 1 h with cryolite powder in the following ratio, wt. %: intermetallic - 90 ÷ 85; cryolite - 10 ÷ 15. The content of ingredients in the mixture to determine the optimal composition was varied within the specified limits in increments of 5 wt. % The choice of the optimal composition of the mixture is given in table 2 (highlighted in gray).
Образцы, подготовленные по прим. 1, покрывали слоем шихты, которую наносили через трафареты, поддерживая толщину слоя насыпки 1÷2 мм.Samples prepared by approx. 1, was covered with a layer of the charge, which was applied through stencils, maintaining the thickness of the layer of filling 1 ÷ 2 mm.
Подготовленные образцы размещали в индуктор, подключенный к инвертору ЭЛСИТ 100-70/40и проводили бороалитирование, нагревая их в среде защитного газа (аргон) до температуры 1150÷1200°С, до момента начала протекания экзотермической реакции (разогрев, свечение), с последующей выдержкой 5÷10 с. Prepared samples were placed in an inductor connected to an ELSIT 100-70 / 40 inverter and borated were analyzed by heating them in a protective gas (argon) to a temperature of 1150 ÷ 1200 ° C until the start of the exothermic reaction (heating, glowing), followed by
Для оптимизации шихты готовили по 4 смеси одинакового состава, отличающихся интерметаллидом, осуществляли бороалитирование, после чего определяли характеристики образующихся покрытий и устанавливали оптимальные концентрационные границы ингредиентов (таблица 2).To optimize the charge, 4 mixtures of the same composition differing in intermetallic were prepared, boro-analysis was carried out, after which the characteristics of the formed coatings were determined and the optimum concentration limits of the ingredients were established (Table 2).
Полученные результаты оптимизации, позволяющие установить качественные и количественные значения отличающихся признаков заявляемого способа, объясняются следующим.The obtained optimization results, allowing to establish the qualitative and quantitative values of the different features of the proposed method, are explained as follows.
Реализация предлагаемого способа бороалитирования стальной поверхности в две стадии (в отличие от прототипа) позволяет использовать в технологии упрочнения различные процессы, отличающиеся по природе, времени, тепловым эффектам и скорости их протекания. Кроме того, разделение сложного процесса насыщения стальной поверхности сразу несколькими элементами, бором и алюминием - бороалитирования, на процесс борирования (первая стадия) и алитирования (вторая стадия) позволяет осуществлять насыщение упрочняемой поверхности бором и алюминием на одинаковую глубину.The implementation of the proposed method for boronization of a steel surface in two stages (unlike the prototype) allows using various processes in hardening technology that differ in nature, time, thermal effects and speed of their flow. In addition, the separation of a complex process of saturation of a steel surface with several elements at once, boron and aluminum - boronization, on the boronation process (first stage) and aluminization (second stage) allows saturation of the hardened surface with boron and aluminum to the same depth.
Использование ТВЧ-нагрева, поверхностных химических реакций и стадийности в предлагаемом способе позволяет значительно сократить время технологического процесса, так как его стадии (борирование, алитирование) реализуются при высокотемпературном (1100÷250°С), кратковременном (5÷90 с) воздействии на тонкий поверхностный слой стали, нагреваемый высокочастотным электромагнитным полем. В этих условиях длительный диффузионный процесс насыщения стальной поверхности бором и алюминием (прототип) оказывается возможным заменить на быстропротекающие химические реакции на поверхности в системах Т+Т, Т+Ж, Ж+Ж: борирование при ТВЧ-нагреве с образованием на стальной поверхности композиционного боридного покрытия из боридов Fe2B, FeB (микротвердость 1200-1400 HV), карбида Fe3C (микротвердость 800-850 HV), распределенных в легкоплавкой (940÷960°С) боридной эвтектике Fe-B (микротвердость 600-700 HV) - первая стадия (фиг. 3), и взаимодействие боридной эвтектики с алюминидами железа: FeAl2, FeAl3 (микротвердость 1150-1200 HV) и продуктами их плавления с разложением с образованием сложных смесей, сплавов и композитных бороалитированных покрытий и(или) новых твердых фаз: AlB12, АlВ2, Fe2AlB2 (микротвердость 1500-1650 HV) - вторая стадия (фиг. 4).The use of high-frequency heating, surface chemical reactions and staging in the proposed method allows to significantly reduce the time of the technological process, since its stages (boriding, aluminizing) are realized at high temperature (1100 ÷ 250 ° C), short-term (5 ÷ 90 s) exposure to thin surface layer of steel, heated by a high-frequency electromagnetic field. Under these conditions, the long diffusion process of saturation of the steel surface with boron and aluminum (prototype) can be replaced by fast chemical reactions on the surface in the systems T + T, T + F, F + F: boiling during HD heating with the formation of composite boride on the steel surface coatings of borides Fe 2 B, FeB (microhardness 1200-1400 HV), carbide Fe 3 C (microhardness 800-850 HV), distributed in low-melting (940 ÷ 960 ° C) boride eutectic Fe-B (microhardness 600-700 HV) - the first stage (Fig. 3), and the interaction of boride eutectic and with iron aluminides: FeAl 2 , FeAl 3 (microhardness 1150-1200 HV) and their melting products with decomposition with the formation of complex mixtures, alloys and composite boro-analytical coatings and (or) new solid phases: AlB 12 , AlB 2 , Fe 2 AlB 2 (microhardness 1500-1650 HV) - the second stage (Fig. 4).
Оптимальное соотношение компонентов шихты (на первой и второй стадиях) определялось экспериментально, по значениям характеристик образующихся борированных или бороалитированных покрытий (микротвердость, твердость и толщина упрочненного слоя) - фиг. 1, 2.The optimal ratio of the components of the mixture (in the first and second stages) was determined experimentally, according to the values of the characteristics of the resulting borinated or boron-treated coatings (microhardness, hardness and thickness of the hardened layer) - FIG. 12.
Так содержание карбида бора в шихте для борирования на первой стадии в 80÷85 масс. %, является оптимальным. Сокращение доли этого ингредиента, например до 75%, вызывает резкое уменьшение толщины образующегося покрытия. Увеличение доли карбида бора выше 85 масс. %, например до 90%, приводит к повышению вязкости и снижению текучести расплава шихты, а также ведет к перерасходу этого компонента, в результате чего образуется покрытие низкого качества (пористое, с несплошностями).So the content of boron carbide in the charge for borination in the first stage is 80 ÷ 85 mass. % is optimal. Reducing the proportion of this ingredient, for example up to 75%, causes a sharp decrease in the thickness of the resulting coating. The increase in the proportion of boron carbide above 85 mass. %, for example up to 90%, leads to an increase in viscosity and a decrease in melt flow rate of the charge, as well as leads to an overrun of this component, resulting in a poor-quality coating (porous, with discontinuities).
Содержание флюса П-0,66 в шихте в 15÷20 масс. % также является оптимальным. При уменьшение его содержания ниже 15 масс. %, например 10%, очищающая способность флюса оказывается недостаточной для подготовки поверхности стали, очистки ее от окислов, что снижает качество покрытия (появляются пятна свободные от покрытия, участки с окалиной, участки с отслоением покрытия). При увеличении доли флюса, например до 25 масс. %, происходит резкое увеличение текучести расплава, что приводит к уменьшению толщины покрытия.The flux content of P-0,66 in the mixture of 15 ÷ 20 mass. % is also optimal. When reducing its content below 15 mass. %, for example 10%, the cleaning ability of the flux is insufficient to prepare the surface of the steel, cleaning it from oxides, which reduces the quality of the coating (there are spots free from the coating, areas with scale, areas with delamination of the coating). When increasing the proportion of flux, for example, up to 25 mass. %, there is a sharp increase in melt flow, which leads to a decrease in the thickness of the coating.
Толщина слоя насыпаемой шихты на первой стадии в интервале 2÷3 мм является оптимальной. Если взят слой шихты толщиной менее 2 мм, например 1 мм, то при его расплавлении количество жидкой фазы оказывается недостаточным для защиты поверхности с боридным покрытием от окисления. Увеличение толщины слоя шихты выше 3 мм, например 4 мм - приводит к необоснованному перерасходу материалов.The thickness of the layer of bulk charge in the first stage in the range of 2 ÷ 3 mm is optimal. If the charge layer is taken with a thickness of less than 2 mm, for example, 1 mm, then when it is melted, the amount of the liquid phase is insufficient to protect the surface with the boride coating from oxidation. Increasing the thickness of the charge layer above 3 mm, for example 4 mm, leads to unreasonable waste of materials.
Оптимальная температура борирования при ТВЧ-нагреве находится в интервале 1150÷1250°С, так как ниже температуры 1150°С в системе не происходят поверхностные химические реакции борирования, а выше температуры 1250°С, образующееся боридное покрытие начинает интенсивно окислятся кислородом воздуха, что приводит к уменьшению его толщины, уменьшению доли более твердых боридов железа (микротвердость 1200-1400 HV) и увеличению доли более мягкого карбида железа (микротвердость 800-850 HV).The optimal temperature of boronation during HD heating is in the range of 1150 ÷ 1250 ° C, since below the temperature of 1150 ° C, surface chemical reactions of boring do not occur in the system, and above the temperature of 1250 ° C, the resulting boride coating begins to be intensively oxidized by atmospheric oxygen, which causes to a decrease in its thickness, a decrease in the proportion of more hard iron borides (microhardness 1200-1400 HV) and an increase in the proportion of softer iron carbide (microhardness 800-850 HV).
Как следует из таблицы 1 (фиг. 1), время борирования при ТВЧ-нагреве в 80 с, является оптимальным, так как при его достижении формируются наилучшие сочетания свойств покрытия (высокая толщина и твердость).As follows from Table 1 (Fig. 1), the time of boronation during high-frequency heating at 80 s is optimal, since when it is achieved, the best combinations of coating properties (high thickness and hardness) are formed.
Использование в предлагаемом способе на второй стадии в качестве соединения алюминия - интерметаллида из группы FeAln (где n=2, 3), позволяет осуществлять бороалитирование не используя высокоактивный, окисляющийся на воздухе металл - алюминий, или его низкоактивное соединение - Аl2O3 (прототип). Применяемые в предлагаемом способе алюминиды железа FeAl2, FeAl3 при нагреве до температур 1150÷1170°С не окисляются, а плавятся инконгруэнтно (с разложением) и являются источниками активных атомов алюминия и железа, которые вступают в химическое взаимодействие с боридной эвтектикой. Так как боридная эвтектика, являющаяся матрицей композиционного боридного покрытия, полученного на первой стадии, к моменту разложения алюминидов железа уже находится в расплавленном состоянии, то проникновение атомов алюминия и образование бороалитированног покрытия происходит на ту же глубину, что и борированный слой. Глубина борированного слоя, полученного на первой стадии и готового бороалитированого покрытия (вторая стадия) составляет 300÷700 мкм, что значительно больше прототипа.Use in the proposed method in the second stage as an aluminum compound - an intermetallic compound from the group FeAl n (where n = 2, 3), allows for boronation without using highly active, metal-aluminum oxidized in air, or its low-level compound - Al 2 O 3 ( prototype). Used in the proposed method, the iron aluminides FeAl 2 , FeAl 3 when heated to temperatures of 1150 ÷ 1170 ° C are not oxidized, but melt incongruently (with decomposition) and are sources of active aluminum and iron atoms that enter into chemical interaction with boride eutectic. Since the boride eutectic, which is the matrix of the composite boride coating obtained in the first stage, is already in the molten state at the time of the decomposition of iron aluminides, the penetration of aluminum atoms and the formation of the boron-catalyzed coating occurs at the same depth as the boriated layer. The depth of the boronized layer obtained in the first stage and the finished boron-coated coating (second stage) is 300 ÷ 700 μm, which is significantly larger than the prototype.
Введение в состав шихты на второй стадии предлагаемого способа в качестве активатора - криолита вместо фторида натрия (прототип), позволяет минимизировать окислительные процессы с участием бора и алюминия, протекающие в жидкой фазе при плавлении боридной эвтектики и алюминидов железа с участием кислорода воздуха или кислорода флюса, так как начало его плавления имеет температуру 977°С, что близко к плавлению боридной эвтектики, а окончание плавления - 1100÷1150°С, что близко к плавлению интерметаллидов.Introduction to the composition of the mixture in the second stage of the proposed method as an activator - cryolite instead of sodium fluoride (prototype), minimizes oxidative processes involving boron and aluminum, occurring in the liquid phase during the melting of boride eutectic and iron aluminides with the participation of air oxygen or oxygen flux, since the beginning of its melting has a temperature of 977 ° C, which is close to the melting of the boride eutectic, and the end of melting is 1100 ÷ 1150 ° C, which is close to the melting of intermetallic compounds.
Толщина слоя насыпаемой щихты, состоящей из интерметаллидов и криолита, в интервале 1÷2 мм является оптимальной. Если взят слой шихты толщиной менее 1 мм, например 0,5 мм, то при его расплавлении количество жидкой фазы оказывается недостаточным для защиты поверхности с боридным покрытием от окисления. Увеличение толщины слоя шихты выше 2 мм, например 2,5 мм - приводит к необоснованному перерасходу материалов.The thickness of the layer of bulk metal consisting of intermetallic compounds and cryolite in the range of 1 ÷ 2 mm is optimal. If a charge layer with a thickness of less than 1 mm, for example 0.5 mm, is taken, then when it is melted, the amount of the liquid phase is insufficient to protect the surface with the boride coating from oxidation. Increasing the thickness of the charge layer above 2 mm, for example, 2.5 mm - leads to unreasonable waste of materials.
Содержание криолита в шихте в интервале 10÷15 мас. % является оптимальным. В случае уменьшения содержания криолита в шихте менее 10%, например 5% (составы №1, табл. 2), уменьшается толщина упрочненного слоя и снижается значение микротвердости наиболее прочной фазы. При величине содержания криолита в шихте более 15%, например 20%, толщина бороалитированного слоя остается такой же, как и при оптимальных составах, но значительно понижается общая твердость.The content of cryolite in the charge in the range of 10 ÷ 15 wt. % is optimal. In the case of a decrease in the content of cryolite in the mixture less than 10%, for example, 5% (compositions No. 1, Table 2), the thickness of the hardened layer decreases and the microhardness value of the most durable phase decreases. When the content of cryolite in the mixture is more than 15%, for example, 20%, the thickness of the boron-catalyzed layer remains the same as with optimal compositions, but the total hardness decreases significantly.
Содержание интерметаллида в шихте в интервале 85÷90 мас. % также является оптимальным, так как в этих концентарционных границах обнаруженные выше закономерности изменения толщины, микротвердости и твердости сохраняются (см. фиг 2, табл. 2). Кроме того, уменьшение содержания интерметаллида менее 85%, например 80%, приводит к неравномерному проникновению алюминия в покрытие и различным значениям его твердости по толщине; увеличение же содержания интерметаллида более 90%, например 95%, приводит к снижению жидкотекучести расплава на второй стадии, неравномерному покрытию им упрочненного слоя («пятнистость»), и различным значениям твердости бороалитированного покрытия по площади.The content of the intermetallic compound in the charge in the range of 85 ÷ 90 wt. % is also optimal, since in these concentration boundaries the patterns of change in thickness, microhardness and hardness found above are retained (see Fig. 2, Table 2). In addition, a decrease in the intermetallic content of less than 85%, for example 80%, leads to uneven penetration of aluminum into the coating and various values of its hardness in thickness; an increase in the intermetallic content of more than 90%, for example, 95%, leads to a decrease in the fluidity of the melt in the second stage, uneven coating of the hardened layer with it (“spotting”), and different hardness values of the boro-modified coating over the area.
Состав используемого в предлагаемом способе интерметаллида FeAl2 или FeAl3 большого значения не имеет, так как оба указанных алюминида железа при температурах 1150÷1200°С плавятся с разложением, что вызывает их химическое «обезличивание».The composition of the intermetallic compound FeAl 2 or FeAl 3 used in the proposed method does not matter much, since both of these aluminum aluminides melt with decomposition at temperatures of 1150 ÷ 1200 ° C, which causes their chemical "de-identification".
Реализация предлагаемого способа бороалитирования технически возможна в интервале температур 1150÷1200°С, который определяется термодинамическими характеристиками и природой используемых ингредиентов. Нижняя граница температуры в 1150°С, определяется низшей температурой инконгруентного плавления алюминидов FeAl2, FeAl3 в системе Fe-Al, которая для FeAl3 и составляет указанное значение. Верхняя же граница температуры в 1200°С, определяется началом процессов борирования, которые при ее достижении эффективно осуществляются в жидкой боридной эвтектике. Таким образом, к моменту достижения оптимального интервала температур 1150÷1200°С все компоненты шихты (криолит, интерметаллиды) и боридная эвтектика, являющаяся основной, матричной фазой покрытий, уже расплавляются, что и определяет высокую скорость процесса бороалитирования, который для заявляемого способа реализуется в системе Ж+Ж, а не Т+Ж или Т+Т как в прототипе.The implementation of the proposed method of boronization is technically possible in the temperature range of 1150 ÷ 1200 ° C, which is determined by the thermodynamic characteristics and the nature of the ingredients used. The lower limit of the temperature is 1150 ° С, determined by the lowest temperature of incongruous melting of aluminides FeAl 2 , FeAl 3 in the Fe-Al system, which for FeAl 3 is equal to the specified value. The upper temperature limit of 1200 ° C is determined by the start of the boronization processes, which, when it is reached, are effectively carried out in a liquid boride eutectic. Thus, by the time the optimum temperature range of 1150 ÷ 1200 ° C is reached, all components of the charge (cryolite, intermetallic compounds) and the boride eutectic, which is the main matrix phase of coatings, have already melted, which determines the high speed of the boro-analysis process, which for the inventive method is implemented F + F system, not T + F or T + T as in the prototype.
Минимальное время выдержки после начала экзотермической реакции в покрытии в 5 с установлено экспериментально и определяется, с одной стороны - минимальным технически возможным временем выдержки и инерционностью ТВЧ-установок, с другой стороны - тепловой инерционностью системы стальная поверхность/шихта при заданной толщине насыпки в 1÷2 мм и минимальным временем ее нагрева высокочастотным электромагнитным полем. Увеличение времени выдержки выше 10 с нецелесообразно, так как при этом происходит разложение новых метастабильных твердых фаз (AlB12, АlВ2, Fe2AlB2), вызывающих повышение твердости бороалитированного покрытия по сравнению с прототипом (фиг. 2, 4).The minimum exposure time after the start of the exothermic reaction in the coating of 5 s was established experimentally and is determined, on the one hand, by the minimum technically possible exposure time and inertia of the HDTV installations, on the other hand by the thermal inertia of the steel surface / charge system at a given filling thickness of 1 ÷ 2 mm and the minimum time of its heating by a high-frequency electromagnetic field. An increase in the exposure time above 10 s is impractical, since this results in the decomposition of new metastable solid phases (AlB 12 , AlB 2 , Fe 2 AlB 2 ), causing an increase in the hardness of the boron-coated coating compared to the prototype (Fig. 2, 4).
Таким образом, технический результат изобретения: упрощение осуществления технологического процесса и сокращение «чистого» времени бороалитирования до 85-100 с, достигается за счет: разделения процесса бороалитирования в предлагаемом способе на две отдельные стадии (борирование, алитирование), использования ТВЧ-нагрева и поверхностных химических реакций, а также применением заявленных ингредиентов (криолит и интерметаллид из группы FeAln (где n=2, 3)) и экспериментально установленными оптимальными параметрами процесса. Это, в конечном итоге, приводит к увеличению толщины (в 3,7-4,6 раза) и твердости образующегося на стальной поверхности покрытия (в 1,5-1,7 раза) по сравнению с прототипом, кроме того снижается влияния высоких температур на механические свойства основного металла.Thus, the technical result of the invention: simplifying the implementation of the technological process and reducing the "clean" time of boronization to 85-100 s, is achieved due to: separation of the boronation process in the proposed method into two separate stages (boration, alithiation), the use of HD heating and surface chemical reactions, as well as the use of the claimed ingredients (cryolite and intermetallic from the group FeAl n (where n = 2, 3)) and experimentally established optimal process parameters. This, ultimately, leads to an increase in thickness (3.7-4.6 times) and hardness of the coating formed on the steel surface (1.5-1.7 times) compared to the prototype, besides, the effect of high temperatures decreases. on the mechanical properties of the base metal.
Claims (5)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018131820A RU2691431C1 (en) | 2018-09-03 | 2018-09-03 | Boron-aluminizing method of steel surface |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018131820A RU2691431C1 (en) | 2018-09-03 | 2018-09-03 | Boron-aluminizing method of steel surface |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2691431C1 true RU2691431C1 (en) | 2019-06-13 |
Family
ID=66947530
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2018131820A RU2691431C1 (en) | 2018-09-03 | 2018-09-03 | Boron-aluminizing method of steel surface |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2691431C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2714267C1 (en) * | 2019-10-17 | 2020-02-13 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Алтайский государственный университет" | Method of boring steel parts under pressure and container with fusible gate for its implementation |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3673005A (en) * | 1969-09-18 | 1972-06-27 | Kempten Elektroschmelz Gmbh | Process for borating metals,especially steel |
| SU765396A1 (en) * | 1978-10-16 | 1980-09-23 | Белорусский Ордена Трудового Красного Знамени Политехнический Институт | Composition for boroaluminizing |
| RU2459011C1 (en) * | 2011-06-23 | 2012-08-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления" | Coating for boroaluminising of steel products |
| EP2802683B1 (en) * | 2012-04-11 | 2017-05-31 | Siemens Aktiengesellschaft | Anti-corrosion and anti-erosion protective coating containing aluminium |
| RU2635589C1 (en) * | 2016-08-01 | 2017-11-14 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления" | Method of thermocyclic boron-caloring of steel products |
-
2018
- 2018-09-03 RU RU2018131820A patent/RU2691431C1/en active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3673005A (en) * | 1969-09-18 | 1972-06-27 | Kempten Elektroschmelz Gmbh | Process for borating metals,especially steel |
| SU765396A1 (en) * | 1978-10-16 | 1980-09-23 | Белорусский Ордена Трудового Красного Знамени Политехнический Институт | Composition for boroaluminizing |
| RU2459011C1 (en) * | 2011-06-23 | 2012-08-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления" | Coating for boroaluminising of steel products |
| EP2802683B1 (en) * | 2012-04-11 | 2017-05-31 | Siemens Aktiengesellschaft | Anti-corrosion and anti-erosion protective coating containing aluminium |
| RU2635589C1 (en) * | 2016-08-01 | 2017-11-14 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления" | Method of thermocyclic boron-caloring of steel products |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2714267C1 (en) * | 2019-10-17 | 2020-02-13 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Алтайский государственный университет" | Method of boring steel parts under pressure and container with fusible gate for its implementation |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US20110174550A1 (en) | Process for manufacturing a part comprising a block of dense material constituted of hard particles and of binder phase having a gradient of properties, and resulting part | |
| BG60372B1 (en) | Method for the preparation of ceramic composite mass and products produced in this manner | |
| US3672849A (en) | Cermet-type alloy coating on metal base | |
| US3690849A (en) | Cermet-type alloy | |
| RU2691431C1 (en) | Boron-aluminizing method of steel surface | |
| JP3048833B2 (en) | Decorative article made of metal or metal alloy and method of manufacturing the same | |
| US4158578A (en) | Method for forming a carbide layer of a Va-Group element of the periodic table or chromium on the surface of a ferrous alloy article | |
| JPS647145B2 (en) | ||
| CH622452A5 (en) | ||
| RU2180018C1 (en) | Method of preparing powdered mix for thermodiffusion zinc-plating | |
| Lobachevskii et al. | Method for preparing an efficient master alloy for steel boriding | |
| US4202705A (en) | Treating bath, forming a mixed carbide layer of Va-Group elements on a ferrous alloy surface and resulting product | |
| RU2693988C1 (en) | Method for surfacing iron aluminide on steel surface | |
| Fathy | Interfacial Microstructure and Bonding Area of Sn-based Alloy-GG25 Gray Iron Bimetallic Material Using Flux, Sn, and Sn-Zn Interlayer Compound Casting | |
| RU2639258C2 (en) | Addition alloy production method for steel boronizing | |
| RU2809613C1 (en) | Method for producing composite aluminium matrix materials containing chromium boride components using self-propagating high-temperature synthesis | |
| RU2748572C1 (en) | Method for hardening parts made of tool and structural steels in borated medium | |
| RU2793662C1 (en) | Method for producing composite aluminum matrix materials containing titanium carbide by self-propagating high-temperature synthesis | |
| US3875777A (en) | Reduction of copper-caused surface cracking of steel during hot-working | |
| ATE248675T1 (en) | METHOD FOR PRODUCING METAL BODY WITH INTERNAL POROSITY | |
| SU872597A1 (en) | Composition for diffusion saturation | |
| Mishigdorzhiyn et al. | Fe-Me-B Diffusion Layers for Surface Modification of Carbon Steels | |
| SU985140A1 (en) | Composition for thermodiffusion boronizing of steel products | |
| US2826497A (en) | Addition agent and method for making ferrous products | |
| SU869959A1 (en) | Method of producing surface-alloyed castings |