Способ бороникелирования стальных изделий в псевдоожиженном слое

 

Изобретение относится к металлургии, а именно к химико-термической обработке, и может найти широкое применение в машиностроении для повышения долговечности деталей машин. Задачей изобретения является уменьшение хрупкости покрытия. Предложенный способ включает нагрев, насыщение в порошкообразной смеси, содержащей карбид бора, окись никеля, тетрафторборат щелочного металла, активатор и корунд, и последующее охлаждение, причем бороникелирование проводят при температуре 550-1000^oС в порошкообразной смеси, в которую дополнительно вводят окись меди, а в качестве тетрафторбората щелочного металла - тетрафторборат калия, в качестве активатора - фтористый алюминий, при следующем соотношении компонентов, мас.%: карбид бора 3-5, окись никеля 0,5-5, окись меди 0,05-2, фтористый алюминий 0,05-12, тетрафторборат калия 0,05-2, корунд 40-96,35, нагрев осуществляют в атмосфере аммиака, причем в процессе нагрева при температуре порошкообразной смеси 250-500^oС проводят выдержку изделий в течение 3-40 мин, после чего газообразные продукты откачивают, а насыщение ведут при температуре бороникелирования. Техническим результатом является то, что предложенный способ позволяет получить изделия хорошего качества с толщиной покрытия 120-200 мкм, микротвердостью 13000 МПа и микрохрупкостью, которая в 1,5 раза меньше микрохрупкости покрытия, описанного в прототипе. 1 табл.

Изобретение относится к металлургии, а именно к химико-термической обработке, и может найти широкое применение в машиностроении для повышения долговечности деталей машин и механизмов.

Известен способ бороникелирования стальных изделий, включающий нагрев и насыщение изделий в порошковой среде, содержащей следующие компоненты, мас. %: Окись никеля - 44-50 Карбид бора - 37-45 Окись алюминия - 3-5 Аммоний никель сернокислый - 2-4 Тетрафторборат калия - 4-6 (см. авт. св. 996513, С 23 С 12/00).

Недостатком известного способа является высокая хрупкость покрытия, за счет недостаточной пластифицирующей способности никеля, и низкая скорость насыщения, за счет образования окисной пленки и затруднения доступа газовой фазы непосредственно к поверхности металла.

Из уровня техники наиболее близким аналогом к заявленному объекту является способ бороникелирования стальных изделий, включающим насыщение никелем и бором в составе, содержащем карбид бора и корунд. Бороникелирование проводят в псевдоожиженном слое в составе, дополнительно содержащем окись никеля, хлористый аммоний и тетрафторборат натрия при следующем соотношении компонентов, мас. %: карбид бора 5-35, окись никеля 0,02-0,5, хлористый аммоний 0,005-0,2, тетрафторборат натрия 0,01-0,2, корунд остальное (см. патент РФ, 2149917 С 23 С 12/00).

Недостатком известного способа является высокая хрупкость покрытия за счет недостаточной пластифицирующей способности никеля.

В основу изобретения поставлена задача уменьшения хрупкости покрытия.

Поставленная задача достигается способом бороникелирования стальных изделий в псевдоожиженном слое, включающим нагрев, насыщение в порошкообразной смеси, содержащей карбид бора, окись никеля, тетрафторборат щелочного металла, активатор и корунд, и последующее охлаждение, отличающимся тем, что бороникелирование проводят при температуре 550-1000^oС в порошкообразной смеси, в которую дополнительно вводят окись меди, а в качестве тетрафторбората щелочного металла - тетрафторборат калия, в качестве активатора - фтористый алюминий, при следующем соотношении компонентов, мас.%: Карбид бора - 3-50 Окись никеля - 0,5-5 Окись меди - 0,05-2
Фтористый алюминий - 0,05-1
Тетрафторборат калия - 0,05-2
Корунд - 40-96,35
нагрев осуществляют в атмосфере аммиака, причем в процессе нагрева при температуре порошкообразной смеси 250-500^oС проводят выдержку изделий в течение 3-40 минут, после чего газообразные продукты откачивают, а насыщение ведут при температуре бороникелирования.

Способ бороникелирования стальных изделий осуществляется следующим образом: предварительно готовят порошкообразную смесь для бороникелирования путем смешивания следующих компонентов, мас.%: карбид бора 3-50, окись никеля 0,5-5, окись меди 0,05-2, фтористый алюминий 0,05-1, тетрафторборат калия 0,05-2, корунд 40-96,35. В реторту с указанной порошкообразной смесью загружают стальные изделия. Из реторты откачивают воздух и осуществляют нагрев изделий в атмосфере аммиака, одновременно с нагревом насыщающей порошкообразной смеси. В процессе нагрева при температуре порошкообразной смеси 250-500^oС проводят выдержку стальных изделий в течение 3-40 минут, после чего откачиваются газообразные продукты из реторты. Затем температуру повышают до 550-1000^oС и осуществляют насыщение стальных изделий, после чего их охлаждают.

Карбид бора вводится в состав насыщающей смеси с целью получения слоя с содержанием боридов железа.

Присутствие в составе насыщающей смеси окиси никеля позволяет получать активные атомы никеля за счет ее восстановления в присутствии фтористого алюминия и аммиака.

Присутствие в составе компонентов окиси меди позволяет получать активные атомы меди за счет химических реакций между компонентами смеси. При этом создаются условия для ускоренного протекания процессов насыщения бором и никелем стальной поверхности, а также снижается хрупкость диффузионных слоев.

Фтористый алюминий вводится с целью активизации процесса бороникелирования и позволяет проводить процесс в псевдоожиженном слое без спекания смеси. Образующийся в процессе диссоциации фтористого алюминия, фтор способствует образованию активных атомов никеля, меди и бора.

Тетрафторборат калия вводится как активатор, способствующий освобождению атомов бора.

Корунд вводится с целью создания псевдоожиженного слоя.

Применение псевдоожиженного слоя позволяет сократить время насыщения и время нагрева насыщающей смеси, а также обеспечивает равномерный нагрев, обрабатываемых изделий. При бороникелировании стальных образцов в псевдоожиженном слое частицы насыщающей смеси контактируют с поверхностью металла, в результате чего происходит очищение поверхности металла от пленки соединений В₂О₃, и ВСl и тем самым облегчается доступ газовой фазы непосредственно к поверхности материала. Процессы бороникелирования в псевдоожиженном слое протекают в основном за счет газофазного процесса, что обеспечивает высокую скорость насыщения.

Химические реакции между компонентами смеси и аммиаком создают условия для увеличения активности смеси, улучшения качества бороникелированной поверхности, уменьшения хрупкости покрытия.

При температуре выдержки 250-500^oС и времени выдержки 3-40 минут происходят процессы восстановления и адсорбции атомов никеля и меди на поверхности с образованием качественного покрытия.

При температуре выдержки ниже 250^oС снижается стабильность протекания процессов восстановление и адсорбции атомов никеля и меди на поверхности изделий. При температуре выдержки выше 500^oС ухудшается качество медно-никелированной поверхности изделий за счет образования пористого медно-никелевого слоя.

При выдержке меньше 3 минут окись никеля и окись меди восстанавливаются не полностью и при дальнейшем нагреве до температур насыщения происходит восстановление оставшейся окиси никеля и окиси меди и образование пористого слоя на поверхности изделий. При времени выдержки более 40 минут существенных изменений поверхности не происходит, поэтому такие выдержки нецелесообразны.

После восстановления окиси меди и окиси никеля присутствие аммиака в среде нецелесообразно, так как при дальнейшем отжиге это приводит к ухудшению качества бороникелированной поверхности стальных изделий. Поэтому после выдержки 3-40 минут производят откачку газообразных продуктов из реторты.

Насыщение при температурах 550-1000^oС позволяет получить на поверхности изделий слои, состоящие из боридов железа. При температуре бороникелирования ниже 550^oС не происходит образования боридов железа. Нагрев изделий до температур выше 1000^oС нецелесообразен из-за резкого снижения механических свойств изделий.

Введение в состав насыщающей смеси карбида бора менее 3 мас.% приводит к нестабильности протекания процесса насыщения поверхности изделий бором и снижению оверхностной твердости. Увеличение его содержания более 50 мас.% нецелесообразно в целях экономии материала.

Уменьшение содержания окиси никеля менее 0,5 мас.% снижает стабильность протекания процессов адсорбции и диффузии атомов никеля в металлическую поверхность, тем самым снижает скорость формирования бороникелированных слоев. Увеличение содержания окиси никеля более 5 мас.% ухудшает технические свойства диффузионного слоя, снижая поверхностную твердость, а также ухудшает качество бороникелированной поверхности металлических изделий, образуя пористый слой никеля на поверхности.

Уменьшение содержания окиси меди менее 0,05 мас.% приводит к нестабильности протекания процессов адсорбции атомов меди на стальной поверхности, тем самым снижает скорость формирования боридных слоев. Увеличение содержания окиси меди более 2 мас.% приводит к ухудшению качества бороникелированной поверхности в результате образования пористых поверхностных слоев.

Уменьшение содержания фтористого алюминия менее 0,05 мас.% приводит к нестабильности протекания процессов восстановления окиси никеля и окиси меди, а также переноса атомов этих металлов к поверхности. Увеличение его свыше 1 мас.% нецелесообразно в целях экономии материала.

Уменьшение содержания в смеси тетрафторбората калия менее 0,05 мас.% приводит к нестабильности освобождения бора, тем самым снижает толщину слоя боридов железа и понижает твердость поверхности. Увеличение его содержания более 0,1 мас.% нецелесообразно, так как происходит перерасход материала.

Для обоснования преимуществ заявляемого способа по сравнению со способом, взятым за прототип, были проведены лабораторные испытания.

Образцы стали 45 диаметром 5 мм и длиной 50 мм подвергали бороникелированию заявляемым и известным способами в псевдоожиженном слое с целью определение твердости и хрупкости диффузионного слоя. Составы насыщающей смеси, режимы проведения бороникелирования и результаты металлографических исследований приведены в таблице.

Результаты исследований показали, что заявляемый способ бороникелирования позволяет получить изделия хорошего качества с толщиной покрытия 120-200 мкм, микротвердостью 13000 МПа и микрохрупкостью, которая в 1,5 раза меньше микрохрупкости прототипа.

Формула изобретения

Способ бороникелирования стальных изделий в псевдоожиженном слое, включающий нагрев, насыщение в порошкообразной смеси, содержащей карбид бора, окись никеля, тетрафторборат щелочного металла, активатор и корунд, и последующее охлаждение, отличающийся тем, что бороникелирование проводят при температуре 550-1000^oС в порошкообразной смеси, в которую дополнительно вводят окись меди, а в качестве тетрафторбората щелочного металла - тетрафторборат калия, в качестве активатора - фтористый алюминий, при следующем соотношении компонентов, мас. %:
Карбид бора - 3-50
Окись никеля - 0,5-5
Окись меди - 0,05-2
Фтористый алюминий - 0,05-1
Тетрафторборат калия - 0,05-2
Корунд - 40-96,35
нагрев осуществляют в атмосфере аммиака, причем в процессе нагрева при температуре порошкообразной смеси 250-500^oС проводят выдержку изделий в течение 3-40 мин, после чего газообразные продукты откачивают, а насыщение ведут при температуре бороникелирования.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2