CC BY
79
Filatov Evgeny Alekseevich, postgraduate, Don_filius@,mail. ru, Russia, Kursk, Southwestern State University,
Makarova Irina Aleksandrovna, postgraduate, makarova. miaayandex. ru, Russia, Kursk, Southwestern State University,
Vornacheva Irina Valer'yevna, asistant, vornairina2008@yandex.ru, Russia, Kursk, Southwestern State University
УДК 620.075.4
ПОВЫШЕНИЕ РАБОТОСПОСОБНОСТИ СПЕЦИАЛЬНЫХ ДЕТАЛЕЙ ИЗ ДОЭВТЕКТОИДНЫХ СТАЛЕЙ ДИФФУЗИОННЫМ БОРИРОВАНИЕМ. ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИИ; СТРУКТУРА, ФАЗОВЫЙ СОСТАВ СТАЛЕЙ ПОСЛЕ БОРИРОВАНИЯ
В.Н. Гадалов, А.Е. Гвоздев, Н.Е. Стариков, Д.Н. Романенко, Е.А. Филатов, И.А. Макарова, Е.А. Ельников
Показано, что одним из эффективных способов повышения работоспособности стальных изделий, позволяющих повысить их эксплуатационные свойства, является борирование. Отмечено, что наиболее часто борирование применяют для повышения износостойкости и коррозионной стойкости в растворах кислот металлов и сплавов. Высокая твердость борированных слоев (микротвердость 18...20) ГПа сохраняется при нагреве до 800 0С. В условиях атмосферной коррозии и коррозии в природных и промышленных водах борированные стали недостаточно стойки.
Борированию можно подвергать практически все конструкционные и инструментальные стали. Борированные детали можно применять в особо жестких условиях эксплуатации: трения скольжения без смазки, абразивного изнашивания, изнашивания в вакууме, при повышенных и высоких температурах, в агрессивных средах. На практике упрочнения деталей металлургического оборудования наибольшее распространение получили электролизное борирование (крупные серии деталей) и борирование из порошков, паст или обмазок (мелкие серии и единичные детали). Крупногабаритные детали, особенно при необходимости их местного борирования, целесообразно
насыщать из обмазок (паст). Электролизное борирование осуществляет при 0 2 (900.980) С в течение (2.5) ч при плотности тока J ~ (0,08.0,25) А/см ; при этом
получают слой глубиной (0,16.0,28) мм, обладающий высокой твердостью, плотностью и износостойкостью. Процесс борирования проводят в расплавленной буре или в смеси буры с поваренной солью. Борируемые детали служат катодами, а в качестве анодов используют графитовые стержни.
Ключевые слова: диффузионное борирование, бура, тигель технология, электролиз, структура, фазовый состав, боридный слой, внутреннее напряжение, обмазка (паста).
Для борирования используют специальные установки (рис.1), в состав которых входят: печь-ванна, система питания током и система автоматического контроля и регулирования температуры. Печи-ванны для
124
электролизного борирования изготовляют на базе существующих шахтных электрических печей. При этом устанавливают литой, сварной или сварно-литой тигель из жаропрочной стали Х12Н26 [10]. В качестве источников постоянного тока применяются мотор-генераторы типа АНД 250/500, АНД 750/1500 и различных типов выпрямители (ВАГГ-12/600, ВАГГ-12/300, ВКГ-100А и др.) с напряжением от 6 до 24 В. Графитовые стержни-аноды должны обладать достаточно высокой прочностью и термостойкостью. Опыт работы показал, что целесообразно применять графитовые электроды диаметром 50 и 75 мм и длиной 1000 мм марки ЭГ-0.
Рис. 1. Схема установки для электролизного борирования: 1 - регулятор напряжения; 2 - выпрямитель; 3 - борируемая деталь (катод); 4 - графитовый электрод (анод); 5 - потенциометр;
6 - стальной тигель (катод); 7 - печь-ванна; 8 - бура
Одним из основных технологических недостатков электролизного борирования является низкая стойкость тиглей. Для ее повышения выполняют "катодную защиту", которая заключается в том, что на тигель во время работы подают отрицательный потенциал при плотности тока 0,008...0,015 А/см рабочей поверхности тигля. Это позволяет повысить сроки непрерывной работы тигля до 2400 ч и более.
Первоначально жаростойкий тигель изготавливали сварнолитым: литой фланец, опиравшийся на верхний торец печи, приваривали непосредственно к тиглю, причем оба (тигель - литой фланец) отливали из сплава Х25Н20ост.Ее). Именно по сварному шву расплавленная бура быстро разъедала такой тигель.
Переход на изготовление цельнолитого тигля (рис. 2) позволяет с успехом применить сталь 12Х18Н9Л плюс катодная защита при существенном увеличении его срока службы до 6000 ч.
125
Рис. 2. Модернизированная конструкция жаростойкого тигля, обеспечивающая повышение его долговечности (замена сварного на цельнолитой и увеличение толщины дна)
В процессе эксплуатации расплава буры с поваренной солью при повышенной температуре обнаружилось усиленное выделение газообразного хлора, что обусловило необходимость вентиляционного оборудования с усиленной вытяжкой. Это привело к усилению мощности приточной вентиляции всего участка борирования.
Электролизное борирование [8, 9] осуществляется в расплаве буры
П 9
при 1 = 900.. .950 С при катодной плотности тока 1600... 2000 А/м в течение 1,5 - 3 часов.
Подготовку установки электролизного насыщения бором к работе приводят в следующем порядке. В печь загружают буру (Ка2Б407хЮН2О) до половины высоты тигля, после чего печь разогревают до 500.550 0С и выдерживают буру до полного испарения кристаллизационной влаги.
Затем температуру печи поднимают до рабочей и бура расплавляется. Небольшими порциями добавляют предварительно расплавленную буру до необходимого уровня.
В производственных условиях жидкостное электролизное бориро-вание осуществляют в металлическом тигле, в котором расплавляют буру, постепенно забрасывая её в тигель по 8...10 кг. В расплав погружают обрабатываемую деталь, находящуюся в графитовом стержне.
Деталь подключают к отрицательному полюсу источника постоянного тока (катод), графитовый стержень к положительному полюсу (анод). Электроды устанавливают после того, как уровень ванны достигает 1/4 высоты тигля. Концы электродов должны находиться на расстоянии не менее 100 мм от дна тигля и не менее 30 мм от его стенок. В электродержатель подается охлажденная вода, включается ток защиты тигля. Процесс обычно осуществляется при плотности тока от 0,15 до 0,20 А/см2 борируемой поверхности и при напряжении 10.14 В. По мере заполнения ванны силу тока повышают до установленного предела. После достижения рабочей
температуры процесса 930...950 °С в ванну плавно загружают детали и выдерживают в ней 2,5 -3 ч. Глубина борированного слоя достигает 0,15...0,20 мм. При выдержке до 6 ч можно получить слой толщиной до 0,35 мм. Дальнейшее увеличение выдержки, повышение температуры более 980 °С и плотности тока свыше 0,20 А/см незначительно увеличивает глубину слоя, повышая его хрупкость. По окончании процесса ток выключают, деталь извлекают из ванны, охлаждают (закаливают) на воздухе или в масле, промывают в кипящей воде 1 - 2 ч и отпускают по режиму отпуска, принятому для данной стали. Перед борированием поверхность детали следует очистить от следов масла, окалины и других загрязнений.
Для защиты отдельных участков детали от борирования проводят гальваническое меднение или хромирование. Неполное погружение детали в ванну, как метод местного борирования, непригодно вследствие сильного разъедания металла детали па границе раздела поверхности ванны и воздуха. Недостатки процесса жидкостного электролизного борирования кроме низкой стойкости тиглей является повышенный расход буры. С течением времени не весь выделяющий бор участвует в формировании покрытия. Часть бора образует аморфный слой, который «приваривается» к поверхности, ухудшая её чистоту и препятствует адсорбции активного бора. Аморфный слой бора уносится из электролита вместе с изделием и частично остается в электролите, загрязняя его. В результате при многократном использовании насыщающей среды в ней накапливается аморфный бор, который внедряется в слой боридов, создает пористость и ухудшает свойства боридного покрытия. Для повышения качества и стойкости покрытия к разрушению под действием динамических нагрузок можно использовать способ электролизного борирования см. [а. с. 637462 (СССР)]. Электролиз расплавленных борсодержащих сред проводят в две стадии. На стадии I ведут электролиз при плотности тока на катоде 0,07...0,09 А/см в течение (8...10) мин. На этой стадии образуются центры кристаллизации боридов, которые, сталкиваясь при росте, формируют сплошной слой. На стадии II плавно снижают плотность тока до нуля в течение (1,5.2) ч в зависимости от химического сплава. Происходит «рассасывание» высокобо-ристой фазы, что способствует уменьшению внутренних напряжений и повышению сопротивляемости разрушению под действием динамических нагрузок. Выше приведенная технология реализована нами на доэвтекто-идной стали марки 45.ЭБ1. В предварительно расплавленную в графитовом электролизере борсодержащую среду (бура №2В4О4 + 20 % NaF) помещают детали или инструмент, подключив положительный полюс источника тока к электролизеру, а отрицательный к насыщаемым изделиям. Электролиз ведут при температуре 700...950 °С (в зависимости от состава среды и насыщаемого сплава) при катодной плотности тока 0,085 А/см2 в течение 10 мин. (I стадия). По истечении этого времени плавно снижают ток в цепи электролиза в течение (1,5 - 2) ч до нуля.
В результате борирования стали 45 по предлагаемыму способу в течение 2 ч. глубина боридного слоя достигает 120...125 мкм. Количество фазы Бе2В составило 90 %, фазы БеВ - 10 %. Улучшилась чистота поверхности, возросла сопротивляемость разрушению под действием динамических нагрузок за счет уменьшения содержания высокобористой фазы. Микроструктура боридного слоя и переходной зоны на стали 45 представлена на рис. 3.
а б
Рис. 3. Структура боридных покрытий на стали 45 после электролиза
при 900 0С в течение 0,33 ч
Исследование микроструктуры показало, что оно состоит, по крайней мере, из 2 слоев: крупных столбчатых фаз размером более 100 мкм и серого слоя, расположенного между ними и под ними. Кроме того, в приповерхностном слое наблюдались поры размером приблизительно 30.50 мкм (рис. 3, а).
а б в
Рис. 4. Структура диффузионных боридных покрытий и переходной зоны на доэвтектоидных сталях после электролиза
при 900 0С в течение 0,33 ч.: а - сталь 10; б - сталь 30 и в - сталь 45
Строение боридного покрытия определяется химическим составом базового материала, режимами насыщения и типом борсодержащей насыщающей среды и может быть упрощено, представлено из нескольких промежуточных слоен БеВ и Бе2В; борида Бе2В; борного цементита Бе3В0.3С0.2, расположенного в диффузионной зоне [8].
Температура процесса влияет на структуру основного борида. Её повышение приводит к формированию в слое пор, расположенных ближе к поверхности. С увеличением температуры и времени насыщения отмечена тенденция роста количества фазы БеВ в пленке. При этом возможно образование в покрытии эвтектики, которая понижает износостойкость.
128
Наиболее сильно влияют на строение боридного слоя элементы Мо и А1. При этом игла боридов образует типичное дендритное строение, понижается общая глубина покрытия, существенно растет пористость. Элементы Ш, Мо, Сг, уменьшающие скорость диффузии бора, значительно повышают количество фазы БеВ в пленке, а А1 и Сг и др. снижают её объемную долю [8, 9].
Основным фактором, влияющим на толщину боридного слоя, является химический состав стали, тип насыщающей борсодержащей среды и режимы насыщения. Элементы Т1, Сг, V уменьшают толщину покрытия, N1 и Си влияют незначительно, Мо и Ш уменьшают толщину диффузионного слоя, аналогично, как увеличение содержания углерода значительно снижает толщину борированной пленки [8].
Известно, что процесс борирования начинает развиваться с температуры 800 °С. Увеличение температуры до 920...950 °С (оптимальная) существенно повышает толщину пленки, не изменяя практически ее строения. Превышение оптимальной температуры приводит к ухудшению структуры основного материала.
Продолжительность насыщения тнас аналогично действию температуры - глубина слоя растет с повышением концентрации углерода и легирующих элементов в стали, влияние времени выдержки на толщину покрытия ослабевает. При тнас ~ 2 - 3 часа наблюдается оптимальное сочетание БеВ и Бе2В фаз в боридном слое. Длительные выдержки тнас> 8 - 12 час электролиза приводят к образованию па поверхности покрытий хрупкой БеВ-фазы, что понижает сопротивление изнашиванию. Износостойкость борированных покрытий зависит не столько от его глубины, сколько от состава его структуры. Для нежестких режимов эксплуатации однофазные и двухфазные боридные покрытия имеют близкие показатели износостойкости.
С увеличением контактных нагрузок повышается износ хрупкой фазы БеВ, который тем больше, чем выше растягивающее напряжение в слое.
Оптимальная толщина покрытий зависит от действующих нагрузок. Для низколегированных сталей толщина составляет 80...120 мкм, при повышении их толщины покрытия склонны к трещинообразованию. В высоколегированных сталях обычно рекомендуются толщины до 30...40 мкм, в случае превышения указанного предела из-за высокого уровня внутренних напряжений в них наблюдаются отшелушивание и растрескивание. Важнейшей механической характеристикой борированных покрытий является их высокая поверхностная твердость до 30 ГПа. Уровень твердости для борированных покрытий значительно выше, чем для слоев на основе углерода и азота. Причем теплостойкость БеВ + Бе2В композитов обычно выше и зависит от режимов насыщения [8, 9].
129
У всех боридных фаз высокий модуль упругости, так, для Бе2В он составляет 54 ГПа. В связи с тем, что минимальное значение критического скалывающего напряжения составляет ~ 0,1 модуля сдвига, что указывает на значительные возможности боридных фаз в отношении сопротивления пластической деформации при трении скольжения [8].
Исследованиями распределения внутренних напряжений [11] в пределах слоя боридов установлено, что на его поверхности возникают напряжения сжатия, достигающие 300 МПа, а на глубине 50 мкм, сжимающиеся до ~ 100 МПа, Сжимающие напряжения в борированном слое уравновешиваются высокими растягивающими напряжениями до 500 МПа, которые локализуют в тонком слое, расположенном непосредственно под бо-рированным. Закалка, проводимая для повышения твердости подслоя, вызывает перераспределение растягивающих напряжений как в борирован-ном слое, так и непосредственно под ним, что способствует снижению сопротивления усталости. Нагрев под закалку производят в соляных ваннах или в защитной атмосфере, а охлаждение в селитровых или щелочных ваннах при температуре, обеспечивающей образование преимущественно трооститной структуры.
Увеличить толщину боридного покрытия и его износостойкость также можно следующим способом [а. с. 773140 (СССР)]. Через 8 - 10 мин после начала процесса электролиза при 900 °С в расплавленную среду вводят дополнительный электрод, подсоединив к нему отрицательный полюс дополнительного источника тока, а положительный - к насыщаемым изделиям, анодно поляризуют деталь и плавно повышают плотность тока на детали до 0,07 А/см .
Электролиты, содержащие в своем составе только буру и фтористый натрий, позволяют вести процесс борирования при температуре 700...800 °С. Снижение температуры борирования при улучшении качества диффузионного слоя обеспечивается в электролите при температуре 700.800 оС. Снижение температуры борирования при улучшении качества диффузионного слоя обеспечивается в электролите при следующем соотношении компонентов: фтористый натрий 5.10 %, бура 30.40 % фторборатнатрия - остальное. При введении фторобората натрия в электролит изменяется строение расплавленной смеси.
За счет ионизации расплава уменьшается концентрация громоздких катионных и анионных группировок. Вследствие этого снижается температура плавления среды для борирования с 694 до 400 °С, что позволяет проводить процесс диффузионного насыщения при температурах начиная с 500 до 600 °С. Электролит готовят следующим образом. Смесь, состоящую из 10 % фтористого натрия и 40 % буры, плавят в графитовом тигле. В расплав вводят фтороборат натрия в количестве 50 %. При борировании в этом электролите, например, быстрорежущей стали Р18 при температуре 560 °С, плотности катодного тока 0,1 А/см в течение 1 ч на поверхности
формируются качественные покрытия глубиной до 20 мкм и твердостью до 19 ГПа.
Еще одним недостатком электролизного борирования является неравномерное насыщение поверхности вследствие повышенной вязкости расплава и его чрезвычайно медленного перемешивания. Образующийся борированнный слой имеет различную толщину на разных участках поверхности изделия и склонен к местному растрескиванию и шелушению. В местах шелушения от поверхностности отделяются мелкие чешуйки, что снижает износостойкость поверхности. Кроме того, бура, остывая, налипает толстым слоем на изделия, и удалять ее приходится кипячением в воде в течение 1,5 - 2 ч. Под слоем буры находится еще и слой порошка бора, налипшего на поверхность изделия. Его приходится удалять при помощи металлических щеток, вручную или кварцевальными машинками.
Эти трудности вынуждают принимать меры для уменьшения вязкости расплава. Можно, например, к буре добавить до 25 % обычной подсушенной поваренной соли. Слой налипающей при остывании буры существенно уменьшается и быстрее растворяется в кипятке. Другим полезным следствием добавления соли в расплав является получение равномерного сплошного борированного слоя. Практика показала, что этого недостаточно для получения равномерного сплошного борированного слоя на изготовленных изделиях.
В настоящей работе проведены исследования по влиянию катодной плотности тока, температуры и времени на глубину борированного слоя.
Оптимальным диапазоном катодной плотности тока является 0,15.0,20 А/см . При необходимости борирования деталей с большой поверхностью плотность тока может быть уменьшена до 0,05 А/см , а оптимальным диапазоном температуры расплава при борировании деталей из конструкционной среднелегированной стали является 930.950 °С. Бори-рование при этой температуре в течение 2,5 - 3,5 ч обеспечивает получение слоя глубиной 0,12 - 0,25 мм. Стремиться получить борированный слой глубиной более 0,25 мм не следует из-за увеличения хрупкости, которая приводит к сколам слоя при последующей термообработке. Для низкоуглеродистой стали допустимая глубина слоя 0,3 мм, для среднеуглероди-стых сталей 0,25 мм, для высокоуглеродистых (0,18.0,20) мм.
На металлургических комбинатах, заводах и других подобных предприятиях электролизному борированию подвергают детали широкой номенклатуры: направляющие ролики, траки и ролики башмака трубосварочного стана, втулки, пальцы, звездочки, оправки холодного волочения труб, проводки прокатных станов, пластины пресс-форм огнеупорного производства, уплотнителыше пластины паллет агломашин и др.
Перед борированием поверхность деталей необходимо очищать от следов масла, окалины и других загрязнений. На некоторых предприятиях в качестве предварительной операции применяют электрохимическую по-
лировку в ванне следующего состава: 72 % Н3Р04, 8 % Сг203 и 20 % Н2804. Продолжительность процесса 10 - 14 мин при плотности тока 00,8 А/см2 (катод - свинцовые пластины, анод - деталь). После борирования детали очищают от содержащегося на поверхности шлама, влияющего на качество последующей термообработки.
Для предотвращения хрупких разрушений борированных деталей необходима термическая обработка, назначение которой - измельчить зерно, уменьшить неоднородность переходной зоны и изменить характер распределения напряжений по сечению деталей.
Исходя из производственного опыта предприятий центрального Черноземного региона, можно рекомендовать следующее.
1. Борирование детали подвергать отпуску при 650 °С; для деталей из низкоуглеродистых сталей может быть заменен нормализацией.
2. Детали, работающие в условиях интенсивного изнашивания при давлении на трущиеся поверхности > 980 Н/мм и одновременном воздействии статических и ударных нагрузок, необходимо после отпуска подвергать упрочняющей термической обработке - объемной или поверхностной закалке, обеспечивающим повышение твердости сердцевины или послойной зоны на глубину > 1,5 мм до твердости > НВ 400.
3. Нагрев под закалку в камерных печах из-за окисления и растрескивания борированного слоя нежелателен.
4. Оптимальным видом объемной закалки является изотермическая с нагревом в соляной ванне и охлаждением в щелочи; поверхностную закалку на глубину 2,0.2,5 мм можно выполнять с помощью лампового или машинного генератора токов высокой частоты, более 2,5 мм - машинным генератором. Последующий отпуск желателен при 250 °С.
Днепропетровским государственным университетом на Новолипецком заводе разработан способ циклического электролизного борирования, состоящий в чередовании выдержки при включенном 0,5.3,0 мин и выключенном (10.15 мин) токе электролиза. Применение этого вида борирования дало возможность снизить энергозатраты и повысить производительность процесса.
Твердофазному борированию в порошках подвергают детали металлургического оборудования: ролики привалковой арматуры и проводки (пропуска) сортовых станов, плунжеры, валы, муфты и т.п. из сталей 30, 45 и др. Процесс состоит из операций:
1) подготовки насыщающей смеси (перемешивание компонентов смеси и удаление влаги);
2) обезжиривания поверхности деталей;
3) упаковки деталей в контейнер;
4) собственно процесса борирования (нагрев и выдержка в печи);
5) распаковки контейнера;
6) термообработки борирования деталей:
а) непосредственно с температуры борирования;
б) повторный нагрев в печи под закалку в среде защитного газа;
в) закалка с нагрева ТВЧ;
7) очистки борированных деталей.
На Новолипецком металлургическом комбинате борирование осуществляют в смеси: 95 % карбида бора и 5% фтористого натрия. Карбид бора прокаливается при 350.450 °С в течение 1,5 ч; обезжиривают детали в моечной машине в 5.10 %-ном водном растворе Ка2С03 при 80.90 оС в течение 30 мин.
Борирование в порошках осуществляют в специальных герметически закрытых контейнерах с плавким затвором (крошка натрий силикатного стекла). Нагрев производят в электрических камерных печах типа СНЗ по режиму: посадка контейнера с деталями в печь при (700±10) °С, нагрев до температуры (950±10) °С по мощности печи, выдержка при этой температуре 6 ч.
Термическую обработку борированных деталей можно осуществлять по трем вариантам:
а) выгруженные из печи контейнеры распаковывают, детали под-стуживают до (850.870) °С, охлаждают в воде (масле), промывают в моечной машине ММД-9 и подвергают отпуску при 200 °С в течение 2,5 ч;
б) выгруженный контейнер охлаждают на воздухе, распаковывают, детали после промывки нагревают под закалку до 850.870 °С, закаливают в воде (масле), промывают в моечной машине и подвергают отпуску;
в) детали после охлаждения в контейнере промывают, подвергают нагреву ТВЧ и закалке. После закалки с нагрева ТВЧ детали подвергают отпуску при 200±10 °С.
После печного нагрева глубина борированного слоя составляет 0,15.0,30 мм, микротвердость 15.20 10 МПа. После нагрева ТВЧ глубина борированного слоя 0,15.0,30 мм, глубина закаленного слоя до 5 мм, микротвердость борированного слоя 15600.17800 МПа. Применение этого варианта позволяет снизить трудоемкость, улучшить качество, уменьшить расход материалов и энергоносителей.
Борированию в порошковой смеси подвергали чугунные проводки (химический состав чугуна: 3,6 % С; 1,47 % 81; 0,7 Мп). После борирова-ния при 950±10 °С в течение 6 - 10 ч был получен слой глубиной 0,30. 0,40 мм. Износостойкость повысилась в 1,3.1,8 раза.
Применение обмазок (паст) позволяет при упрочнении одних и тех же деталей экономить на 25 % больше расходуемого количества карбида бора по сравнению с его расходом при борировании в порошках. Вопросы применения борсодержащих обмазок детально рассмотрены в работе [17].
Технологический процесс борирования обмазками:
1) подготовка деталей (очистка поверхности, обезжиривание);
2) подготовка пасты к нанесению ее на детали;
3) просушка деталей с пастой при 180.200 °С в течение 1,5 - 2,0 ч;
4) борирование при 950±10 оС в течение (6 - 8) ч;
5) подстуживание на воздухе до 850 °С;
6) закалка деталей в воде (масле);
7) отпуск при 180.200 °С в течение 2 ч. В случае неполного удаления пасты с поверхности при закалке детали промывают в кипящей воде в течение 1,5 - 2,0 ч.
Важным является вопрос применения связующего. При борирова-нии горизонтальных поверхностей в качестве связующего применяют обычную воду, в случае применения обмазок на вертикальных или наклонных плоскостях - гидролизированный этилсиликат. Опыт применения в качестве связующего бентонита (монтмориллонита - А1203 48Ю2 'Н20 пН20, до 4 % Беобщ+Т1 по ГОСТ 28177-89) показал его высокую эффективность и технологичность. Состав применяемых паст:
а) 84 % В4С, 6 % ШаБ, 10 % бентонита;
б) 66 % В4С, 16 % бура, 8 % ШаБ, 10 % бентонита;
в) 55 % В4С, 30 % бура; 5 % ШаБ, 10 % бентонита.
Борирование в порошковой смеси и обмазок позволяет применять
многокомпонентное насыщение поверхностей деталей композиции бор + медь, бор + хром, бор + кремний, бор + алюминий и др. По данным диффузионные комплексные покрытия в значительной степени улучшают- свойства деталей.
На Новолипецком металлургическом комбинате проведено бороа-литирование (состав смеси: 25 % В4С + 30 % А1 (порошок) + 40 % А120з + 5 % ШаБ) штуцеров (сталь 20) фурм системы вдувания пылеугольного топлива, работающих в условиях высоких температур и абразивного износа. Предварительные испытания показали, что при 1100 °С в течение 20 ч масса подвергнутых бороалитированию штуцеров уменьшается в 1,3 раза меньше, чем борированных, и в 1,6 раза меньше, чем неупрочненных.
Проведенные в настоящей статье научные и практические результаты не противоречат данным полученным авторами [1, 2, 4, 6, 7, 12, 18].
Полученные результаты могут быть использованы при разработке ресурсосберегающих процессов и технологий обработки промышленных материалов с использованием новых наноконструкционных смазок и покрытий [19 - 41].
Работа подготовлена в рамках выполнения государственного задания Минобрнауки России № 11.6682.2017/8.9.
Список литературы
1. Н.Ф. Лабунец, Л.Г. Ворошнин, М.В. Киндраук. Износостойкие боридные покрытия. Киев: Техника, 1989. 253 с.
2. Борирование сплавов системы Бе-С и его особенности // Физическая химия. 2005. №9.
3. Диффузионное борирование стали и шероховатость поверхности / Алиев А.А., Булгаков В.П., Приходько Б.С. // Вестник Астраханского государственного технического университета. 2005. №2. С.01-94.
4. Исследование в доэвтектоидных сталях фазового состава методом мессбауровской спектроскопии / В.Н. Гадалов [и др.] // Успехи современного естествознания. 2010. №3. С. 118-120.
5. Денисюк А.К., Загуляева С.В., Потуткина Е.Н. Структура бори-рованных слоев в углеродистых сталях // СТИН. 2010. №11. С.39-40.
6. Гадалов В.Н. Физико-механические, эксплуатационные и релаксационные свойства конструкционных сталей с боридными, цианирован-ными и гальваническими покрытиями // Механика композиционных материалов и конструкций. 2011. Т. 17. №4. С. 592-598.
7. Лыгденов Б. Д., Мосоров В.И., Мижитов А.Ц. Исследования фазового состава и дефектного состояния градиентных структур борирован-ных сталей 45 и 5ХНВ // Вестник Восточно-Сибирского государственного технологического университета. 2011. №1. С.25-31.
8. Бирюков В.П. Изменение свойств борсодержащих покрытий под воздействием лазерным лучом // Вестник машиностроения. 2012. №1. С.64-67.
9. Диффузионные боридные покрытия на железе, сталях и сплавах (с альбомом фотографий) / В.Н. Гадалов [и др.]. М.: Курс, 2012. 146 с.
10. Особенности структуры и свойств боридных диффузионных слоев, оптимизация технологии их получения / В.Н. Гадалов [и др.] // Известия ЮЗГУ. Сер. Техника и технология. 2012. №2. 41. С. 73-77.
11. Применение электролизного борирования для упрочнения деталей при изготовлении силикатного кирпича / В.Н. Гадалов [и др.] // Инновационное направление учебно-методической и научной деятельностей кафедр материаловедения и технологий конструкционных материалов: материалы всероссийского совещания (с междунар. участием) зав. кафедрами материаловедения и технологий конструкционных материалов. Саранск: Изд-во Мордов. ун-та. 2012. С. 40-43.
12. Термодинамические расчеты реакций при элетролизном насыщении металлов бором из расплава буры / В.Г. Сальников [и др.] // Инновационное направление учебно-методической и научной деятельностей кафедр материаловедения и технологий конструкционных материалов. Материалы всероссийского совещания (с междунар. участием) зав. кафедрами материаловедения и технологий конструкционных материалов. Саранск: Изд-во Мордов. ун-та. 2012. С. 86-91.
13. Боридные покрытия для почвообрабатывающих органов сельхозтехники: получение, структура и износостойкость в реальных условиях / А.В. Ишков [и др.] // Труды ГОСНИТИ. 2012. Т. №109. Ч. 2. С.124-131.
14. Гадалов В.Н., Петренко В.Р., Ляхов А.В. Химико-термическая и электрофизическая обработка сплавов и покрытий // Verlag. Изд-во: LAP-LAMBERT. Германия, 2016. 250 с.
15. Исследование напряженного состояния в поверхностных слоях доэвтектоидной стали после электролизного борирования / В.Н. Гадалов [и др.] // Современные наукоемкие технологии. 2017. №2. С.12-16.
16. Повышение долговечности деталей тяговых цепей конвейеров из конструкционных сталей электролизным борированием / В.Н. Гадалов [и др.] // Перспективы развития технологий и обработки в машиностроении. Курск: ЮЗГУ, 2017. С. 64-72.
17. Ворошнин Л.Г., Алиев А. А. Борирование из паст. Астрахань: АГТУ, 2006. 287 с.
18. Влияние борсодержащих покрытий на прочностные характеристики сталей / В.Н. Гадалов [и др.] // Технология ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки: материалы 9-й Межд. практич. конф. Санкт-Петербург: Изд-во политехн. ун-та. 2007. Ч. 2. С. 80-87.
19. Технология конструкционных и эксплуатационных материалов: учебник / А.Е. Гвоздев, Н.Е. Стариков, В.И. Золотухин, Н.Н. Сергеев, А.Н. Сергеев, А.Д. Бреки; под.ред. проф. А.Е. Гвоздева. Тула: Изд-во ТулГУ, 2016. 351 с.
20. Триботехнические характеристики композиционных покрытий с матрицей из полигетероарилена ПМ-ДАДФЭ и наполнителями из наноча-стицдихалькогенидов вольфрама при трении скольжения в среде жидкого смазочного материала / А.Д. Бреки, А. Л. Диденко, В.В. Кудрявцев, Е.С. Васильева, О.В. Толочко, А.Г. Колмаков, Ю.А. Фадин, Н.Е. Стариков, А.Е. Гвоздев, Н.Н. Сергеев, Е.В. Агеев, Д.А. Провоторов // Известия Юго-Западного государственного университета. 2016. №1 (66). С. 17-28.
21. Триботехнические свойства композиционных покрытий с поли-имидными матрицами и наполнителями из наночастицдихалькогенидов вольфрама для узлов трения машин: монография / А.Д. Бреки, В.В. Куд-рявцев,А.Л. Диденко, Е.С. Васильева, О.В. Толочко, Н.Н. Сергеев, Н.Е. Стариков, А.Е. Гвоздев; под ред. А.Д. Бреки. Тула: Изд-во ТулГУ, 2015. 128 с.
22.Эксплуатация, техническое обслуживание и ремонт автомобиля: учебное пособие / Н.Н. Сергеев, А.Е. Гвоздев, А.Н. Сергеев, К.Г. Мир-за,Ю.С. Дорохин, Д. М. Хонелидзе. Тула: Изд-во ТулГУ, 2015. 174 с.
23. Основы технологической подготовки: учебное пособие / Н.Н. Сергеев, А.Н. Сергеев, А.Е. Гвоздев, А.Г. Колмаков, А.Д. Бреки, Д.А. Провоторов, В.И. Золотухин Н.Е. Стариков, П.Н. Медведев, Д.В. Малий, Ю.С. Дорохин, Д.Н. Боголюбова, А. А. Калинин, О.В. Кузовлева, К.Н. Старикова, С.Н. Кутепов, Д.М. Хонелидзе, В.В. Новикова.; под ред. проф. А.Е. Гвоздева. Изд. 2-е, испр. и доп. Тула: Изд-во ТулГУ, 2015. 187 с.
24. Материаловедение: учебник для вузов / Ф.К. Малыгин, Н.Е. Стариков, А.Е. Гвоздев, В.И. Золотухин, Н.Н. Сергеев, А.Д. Бреки. Тула: Изд-во ТулГУ, 2015. 268 с.
25. Триботехнические характеристики жидких смазочных и полиамидных композиционных материалов, содержащих антифрикционные на-ночастицы дихалькогенидов вольфрама / А. Д. Бреки, Е.С. Васильева, О.В. Толочко, Н.Е. Стариков, Н.Н. Сергеев, Д.А. Провоторов, А.Н. Сергеев, А.Е. Гвоздев; под ред. А. Д. Бреки. Тула: Изд-во ТулГУ, 2015. 276 с.
26. Многопараметрическая оптимизация параметров лазерной резки стальных листов / А.Е.Гвоздев, И.В.Голышев, И.В.Минаев, А.Н.Сергеев, Н.Н.Сергеев, И.В.Тихонова, Д.М. Хонелидзе, А.Г. Колмаков // Материаловедение. 2015. №2. С. 31-36.
27. Синтез и триботехнические свойства композиционных покрытий с матрицей из полиамида ПМ-ДАДФЭ и наполнителями из наночастиц дихалькогенидов вольфрама при сухом трении скольжения / А.Д. Бреки, А. Л. Диденко, В.В. Кудрявцев, Е.С. Васильева, О.В. Толочко, А.Г. Колмаков, Ю.А. Фадин, Н.Н. Сергеев, А.Е. Гвоздев, Н.Е. Стариков, Д.А. Провоторов // Материаловедение. 2015. №12. С. 36-40.
28. Постановка задачи расчета деформационной повреждаемости металлов и сплавов / Г.М. Журавлев, А.Е. Гвоздев, Н.Н. Сергеев, В.И. Золотухин, Д.А. Провоторов // Производство проката. 2015. № 10. С. 1826.
29. Триботехнические свойства композиционных покрытий на основе полигетероарилена «Р-ОДФО» с наполнителем из наночастицдиселе-нида вольфрама / А.Д. Бреки, Ю.А. Фадин, А.Л. Диденко, В.В. Кудрявцев, О.В. Толочко, Е.С. Васильева, А.Е. Гвоздев, Н.Е. Стариков, Д.А. Провоторов // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2015. Вып.11. Ч. 1. С. 133-139.
30. Влияние смазочного композиционного материала с наночасти-цами диселенида вольфрама на трение в подшипниках качения / А.Д. Бреки, В.В. Медведева, Ю.А. Фадин, О.В. Толочко, Е.С. Васильева, А.Н. Сергеев, Д.А. Провоторов, А.Е. Гвоздев, Н.Е. Стариков, Ю.Е. Титова // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2015. Вып.11. Ч. 1. С. 171-180.
31. Триботехнические свойства композиционных покрытий на основе полигетероарилена «ДАИ» с наполнителем из наночастиц дихалькогенидов вольфрама / А.Д. Бреки, Ю.А. Фадин, А.Л. Диденко, В.В. Кудрявцев, О.В. Толочко, Е.С. Васильева, А.Е. Гвоздев, Н.Е. Стариков, А. А. Калинин, Д.А. Провоторов // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2015. Вып.8. Ч. 2. С. 148-155.
32. Триботехнические свойства композиционных покрытий на основе полигетероарилена «Р-ОООД» с наполнителем из наночастиц диселе-нида вольфрама / А.Д. Бреки, Ю.А. Фадин, А.Л. Диденко, В.В. Кудрявцев,
О.В. Толочко, Е.С. Васильева, А.Е. Гвоздев, Н.Е. Стариков, Д. А. Провото-ров // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2015. Вып.8. Ч. 2. С. 181-188.
33. Взаимодействие дисперсных компонентов смазочного композиционного материала, содержащего наночастицы дихалькогенидов вольфрама / А. Д. Бреки, О.В. Толочко, Е.С. Васильева, А.Е. Гвоздев, Н.Е. Стариков, Д.А. Провоторов // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2015. Вып.7. Ч. 1. С. 197-205.
34. Выбор дисперсности наполнителя из частиц дихалькогенидов вольфрама для создания смазочного композиционного материала /
A. Д. Бреки, О.В. Толочко, Е.С. Васильева, А.Е. Гвоздев, Н.Е. Стариков, Д.А. Провоторов, А.А. Калинин // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2015. Вып.7. Ч. 1. С. 235-243.
35. Оценка влияния размера частиц и концентрации порошков горных пород на противоизносные свойства жидких смазочных композиций /
B.В.Медведева, М.А. Скотникова, А. Д. Бреки, Н.А. Крылов, Ю.А. Фадин, А.Н. Сергеев, Д.А. Провоторов, А.Е. Гвоздев, Н.Е. Стариков // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2015. Вып.11. Ч. 1. С. 57-65.
36. Влияние смазочного композиционного материала с наночасти-цами дисульфида вольфрама на трение в подшипниках качения / А.Д. Бре-ки, В.В. Медведева, Ю.А. Фадин, О.В. Толочко, Е.С. Васильева, А.Н. Сергеев, Д.А. Провоторов, А.Е. Гвоздев, Н.Е. Стариков // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2015. Вып.11. Ч. 1. С. 78-86.
37. Оценка взаимодействия между наночастицами дихалькогенидов вольфрама в среде жидкого смазочного материала / А. Д. Бреки, О.В. Толочко, Е.С. Васильева, А.Е. Гвоздев, Н.Е. Стариков, Д.А. Провоторов // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2015. Вып.7. Ч. 2. С. 8-14.
38. Оценка влияния жидкого смазочного композиционного материала с наночастицами геомодификатора на трение в подшипниковом узле / А. Д. Бреки, О.В. Толочко, Н.Е. Стариков, Д.А. Провоторов, Е.В. Агеев, А.Е. Гвоздев // Известия Юго-Западного государственного университета. Сер. Техника и технологии. 2015. №3 (16). С. 17-23.
39. Комплексный подход к исследованию экстремальных эффектов в металлических, композиционных и нанокристаллических материалах: коллективная монография / А.Е. Гвоздев, Н.Н. Сергеев, А.Н. Сергеев, Д.А. Провоторов, В.И. Золотухин, А. Д. Бреки, П.Н. Медведев, М.Н. Гаврилин, Г.М. Журавлев, Д.В. Малий, Ю.С. Дорохин, Д.Н. Боголюбова, А.А. Калинин, Д.Н. Романенко, И.В. Минаев, О.В. Кузовлева, Н.Е. Проскуряков, А.С. Пустовгар, Ю.Е. Титова, И.В. Тихонова. Тула: Изд-во ТулГУ, 2014. 128 с.
40. Триботехнические свойства жидких смазочных композиционных материалов, содержащих полученные методом газофазного синтеза высокодисперсные дисульфид и диселенид вольфрама: монография / А.Д. Бреки, Е.С. Васильева, О.В. Толочко, Н.Н. Сергеев, А.Е. Гвоздев.; под ред. А.Д. Бреки. Тула: Изд-во ТулГУ, 2014. 152 с.
41.Жидкие смазочные композиционные материалы, содержащие высокодисперсные наполнители, для подшипниковых узлов управляемых систем: монография / А.Д. Бреки, Е.С. Васильева, О.В. Толочко, Н.Н. Сергеев, А.Е. Гвоздев. Тула: Изд-во ТулГУ, 2014. 144 с.
Гадалов Владимир Николаевич, д-р техн. наук, проф., проф., Gadalov-VN@yandex. ru, Россия, Курск, Юго-Западный государственный университет,
Гвоздев Александр Евгеньевич, д-р техн. наук, проф., проф., gwozdew.alexandr2013@yandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный педагогический университет им. Л.Н. Толстого,
Стариков Николай Евгеньевич, д-р техн. наук, проф., starikov_taii@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Романенко Дмитрий Николаевич, канд. техн. наук, доц., Romanenko-kstu46@yandex.ru, Россия, Москва, Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов,
Филатов Евгений Алексеевич, асп., Don_filius@mail. ru, Россия, Курск, Юго-Западный государственный университет,
Макарова Ирина Александровна, асп., makarova.mia@yandex.ru, Россия, Курск, Юго-Западный государственный университет,
Ельников Евгений Александрович, асп., jamyaer@yandex.ru, Россия, Курск, Юго-Западный государственный университет
INCREASING THE OPERABILITY OF SPECIAL ITEMS FROMDOE-TECTOID STEEL BY DIFFUSION BORING. TECHNOLOGY ISSUES; STRUCTURE, PHASE COMPOSITION OF
STEELS AFTER BORING
V.N. Gadalov, A.E. Gvozdev, N.E. Starikov, D.N. Romanenko, E.A. Filatov, I.A. Makarova, E.A. Elnikov
It was shown, that one of the effective ways to improve the performance of steel products, which improve their performance properties, is borating. Most often, borating is used to increase wear resistance and corrosion resistance in acid solutions of metals and alloys. High hardness of borated layers (microhardness 18 ... 20) GPa. It is stored when heated to 800 ° C. In conditions of atmospheric corrosion and corrosion in natural and industrial waters, boron steels are not sufficiently stable.
Practically all structural and tool steels can be borated. The bolted parts can be used in particularly severe operating conditions: sliding friction without lubrication, abrasive wear, wear in vacuum, at elevated and high temperatures, in corrosive environments. In prac-
139
tice, hardening ofparts of metallurgical equipment, electrolysis borings (large series ofparts) and boriding from powders, pastes or coatings (small series and single parts) are most widespread. Large-sized parts, especially when they need their local borating, it is advisable to saturate the paste (paste). Electrolysis borings are carried out at (900 ... 980) 0C during (2 ... 5) h at current density J ~ (0,08 ... 0,25) A / cm2; at the same time, a layer of depth (0,16 ... 0,28) mm is obtained, having a high hardness, density and wear resistance. The borating process is carried out in a molten borax or in a mixture of borax and common salt. The parts to be burned serve as cathodes, and graphite rods are used as anodes.
Key words: diffusion boron, borax, crucible technology, electrolysis, structure, phase composition, boride layer, internal stress, coating (paste).
Gadalov Vladimir Nikolaevich, doctor of technical sciences, professor, professor, Gadalov- VN'yandex. ru, Russia, Kursk, Southwestern State University,
Gvozdev Alexander Evgenievich, doctor of technical sciences, professor, professor, gwozdew.alexandr2013@yandex.ru, Russia, Tula, Tula State Pedagogical University named after. L.N. Tolstoy,
Starikov Nikolai Evgenevich, doctor of technical sciences, professor, stari-kov taii' mail.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Romanenko Dmitry Nikolaevich, candidate of technical sciences, docent, Romanen-ko-kstu46@yandex.ru, Russia, Moscow, Russian Scientific Research Institute of Aviation Materials,
Filatov Evgeny Alekseevich, postgraduate, Don filius' mail. ru, Russia, Kursk, Southwestern State University,
Makarova Irina Aleksandrovna, postgraduate, makarova. mia'yandex. ru, Russia, Kursk, Southwestern State University,
Yelnikov Yevgeny Aleksandrovich, postgraduate, jamyaer'a,yandex.ru, Russia, Kursk, Southwestern State University
