книги из ГПНТБ / Многокомпонентные диффузионные покрытия

ния концентрации Na20 в расплаве. Кроме того, следует учесть, что в этих расплавах возможен разряд на катоде ионов S1+4, которые также могут участвовать в образовании борид-

ного слоя.

На рис. 63 показаны структуры боридных диффузионных слоев на стали 45, образовавшихся в результате электролиза расплавов буры с 30 и 50 вес. % моносиликата натрия при тем­ пературе 950 °С. По своему строению эти слои мало отлича-

Рис. 60. Влияние плотности тока на глубину диффузионных слоев на ста­ ли 45, / = 1000 °С:

вов приводит к образованию боросилицированных слоев. Количество боридных фаз в слое увеличивается с ростом плотности тока и повышением концентрации буры в расплаве. Структуры боросилицированных слоев, полученных при элек­ тролизе расплава, содержащего 15 вес. % буры, показаны на рис. 64. Диффузионные слои, образовавшиеся при невысокой плотности тока (0,35 и 0,45 а/см2), имеют структуру сс-твердо- го раствора кремния (и, возможно, бора) в железе, в который вклиниваются с поверхности зачастую неориентированные бо-

ридные иглы. В зоне границы раздела кремнистого феррита и

плаве с 50 до 15 вес. %. Одновременно происходит увеличение

Электролиз расплавов с высокой концентрацией буры при­ водит к образованию на поверхности образцов боридных слоев. Можно предположить, что при электролизе с высокими плотностями тока, обеспечивающими выделение на катоде ионов S1+4, оба борида легированы кремнием.

Общая глубина боридных слоев несколько увеличивается

Na2Si0 3 в расплаве приводит к снижению глубины боридных слоев. Структура боросилицированных слоев, полученных в расплавах с 90, 80, 70 вес. % буры, показана на рис. 65. С уве­ личением концентрации моносиликата натрия в этих распла­ вах растет количество эвтектической составляющей в диффу­ зионном слое.

Диффузионные слои, образовавшиеся при электролизе рас­ плавов с 10, 20, 30 и 40% буры, состоят обычно из трех зон. На поверхности расположена боридная зона (сплошная), под ней — зона твердого раствора кремния в железе; третья зо­ на—боридная—располагается под границей раздела кремни­ стого феррита со структурой сердцевины. Критическая плот­ ность тока для этих расплавов так же, как и для расплава

162

Na2Si0 3, составляет 0,05—0,06 а/см2 (см. рис. 62). С повыше­ нием плотности тока наблюдается рост общей глубины слоя, причем наибольший рост соответствует изменению плотности тока с 0,05 до 0,1 а/см2. Дальнейшее увеличение плотности тока сопровождается замедлением роста слоя (уменьшается угол наклона кривой глубина слоя— плотность тока).

С изменением состава ванны изменяется соотношение фаз в слое. Так, электролиз при плотности тока 0,5 а/см2 расплава

Рис. 62. Зависимость глубины и строения диффузионного слоя от плотно­

сти тока': <=1050°С. Расплавы Na2S i0 3 с 10 (а), 20 (б), 30 (в) и 40% (г)

Na2B40 7:

/—боридная зона на поверхности; 2—зона кремнистого феррита; 3—боридная зона

с10% буры приводит к образованию боросилицированного

слоя с очень тонкой боридной зоной на поверхности образца. Толщина боридных зон растет при_ увеличении концентрации буры. В расплаве с 40% буры образуются боридные диффузи­ онные слои с небольшой прослойкой кремнистого феррита. Электролиз расплава с 40% буры при меньших плотностях то­ ка приводит к образованию слоев, состоящих из трех зон (двух зон боридов, разделенных a -твердым раствором кремния в железе).

На рис. 66 представлены кривые зависимости глубины и строения диффузионных слоев от состава ванны системы Na2Si0 3 — Na2B40 7 при температуре 950 °С и плотности тока

0,8—0,9 а/см2 II температуре 1050 °C и плотности тока »0,5 а/см2. Положение максимумов на этих кривых соответствует концентрации буры в расплаве 60—70 вес. %. При температу­ ре 1050 °С в расплавах, содержащих до 10 вес. % буры, обра­ зуются силицированные слои. При электролизе расплавов, содержащих более 50 вес. % буры, на стальном катоде фор­ мируются боридные диффузионные слои. В расплавах с 10— 50 вес. % буры образуются боросилнцированные слои, при-

Рис. (іЗ. Микроструктуры боридных диффузионных слоев на стали 45:

г = 950°С, т=30 мин; / = 0,3 а/слі2. Расплав: а — 30% Na2SiO3+70% Na2B4C>7; б — 50% Na2SiO3+50% Na2B40 7, х200

чем количество a -твердого раствора кремния (и, возможно, бора) в железе при более высоких температурах значительно

возрастает.

Положение перегиба на кривой зависимости глубины слоя от состава ванны, полученной при 1050 °С, соответствует 20— 40 вес. % буры. Наличие перегиба можно объяснить измене­ нием строения диффузионных слоев, происходящим в этой области составов расплава.

Структурные диаграммы в сочетании с кинетическими кри­ выми, показывающими изменение глубины и фазового соста­

164

ва слоев в зависимости от плотности тока, позволяют выбрать состав электролита и режим электролиза для получения диф­ фузионного слоя заданной глубины и строения.

На рис. 67 показаны структуры боросилицированных слоев на стали 45, полученные после насыщения при температуре 1000 °С и выдержках 1,2 и 3 ч. Как видно из рисунка, с увели­ чением длительности выдержки соотношение фаз в диффузи­ онном слое изменяется в пользу боридных.

Рис. 64. Микроструктуры боросилицированных слоев на стали 45 поту, ченных при электролизе расплава с 15% буры:

<=950 °С, т=30 мин. Плотность тока: а-0,35 а!см\ б-0,4Ь а/сл2; в-0,9 а!см\ х200

165

Зависимость глубины боросилицированных слоев на стали

слои с различным соотношением фаз (боридных и а-твердого раствора кремния в железе), строение которых определяется составом ванны, температурой и длительностью насыщения. Изменяя условия насыщения, можно получить диффузионные

Рис. 65. Микроструктуры боросилицированных слоев на стали 45, полу­ ченных при электролизе расплавов с 90% (а), 80% (б) и 70% (в) буры

()=1050°С, т=30 мин, /=0,2 а/слі2, х200)

166

слои с нужным соотношением и расположением по глубине слоя фаз.

Зависимость общей глубины слоя и соотношения боридных фаз в диффузионных слоях, полученных при электролизе расплава, содержащего 20% буры и 80% моносиликата натрия, от содержания углерода в стали показан па рис. 69. Насыщению подвергались образцы с переменным составом по углероду. Как и в случае электролизного борирования, с уве­ личением содержания углерода при борировании и боросили-

Рис. 66. Зависимость глубины и строения диффузионных слоев от состава расплава: 1 — боридный слой; 2 — слой кремнистого феррита (/= 1050°С); 3 — боридный слой (£=950°С)

цировании изменения глубин слоев носят одинаковый харак­ тер. Количество фазы РегВ в случае боросилицирования боль­ ше, чем в случае борирования.

Влияние легирующих элементов на кинетику борирования среднеуглеродистых сталей освещено в литературе довольно подробно. Установлено, что такие элементы, как алюминий, хром, вольфрам, молибден и др., уменьшают глубину борированного слоя, никель и марганец практически не изменяют глубину борированного слоя.

167

Молибден, вольфрам, хром, кремний, алюминий, медь и марганец способствуют увеличению глубины силицированного слоя, а никель — ее снижению.

Проведенное исследование показало, что введение в сталь элементов, сужающих у-область железа, способствует увели­ чению количества кремнистого феррита и уменьшению коли­ чества боридных фаз. Общая глубина слоя при этом снижает­ ся. На рис. 70, а, б приведены результаты исследования влия-

Рис. 67. Микроструктуры бэросилицированных слоев на стали 45. Расплав: 15% Na2B40 7+85% Na2S i0 3 0=1000 °С, у = 0,4 а/см\ т=1 ч (а), 2 ч (б), 3 ч (в), х120)

168

ния молибдена и хрома на общую глубину боросилицированного слоя и на соотношение фаз в этом слое.

При введении в сталь никеля общая глубина слоя практи­ чески не изменяется, однако соотношение фаз в слое изменя­ ется в сторону некоторого увеличения количества боридных фаз (рис. 70, в).

Микроструктуры боросилицнрованных слоев на легирован­ ных среднеуглеродистых сталях показаны на рис. 71.

Свойства боросилицнрованных диффузионных слоев изу­ чены далеко не полно.

Рис. 68. Влияние длительности насыщения на глубину боросилицнрованных слоев на стали 45: г“—950 °С (1), 1000 °С (2), 1050 °С (3)

Рис. 69. Зависимость глубины боридных слоев от содержания углерода в стали ^при боросилицировании в расплаве 80% Na2SiO3+ 2 0 % Na2B40 7 ,

^=950°С, т = 2 ч: 1 — общая глубина слоя; 2 — глубина сплошного слоя боридов; 3 — глубина слоя фазы FeB

169

В работе [26] отмечается, что боросилицирование в сме­ сях порошков, содержащих до 10% кремнийсодержащей ком: поненты, приводит к повышению мпкротвердости боридов же­ леза до 2200—2300 кГ/мм2. Повышение твердости боридов железа, по мнению авторов [26], связано с легированием по­ следних кремнием.

Нами при изучении процессов электролизного боросилицмрования получены несколько иные результаты. На рис. 72

Рис. 70. Влияние молибдена (а), хрома (б) и никеля (в) на глубину боросилицированных слоев и соотношение фаз в них. Расплав: 20% буры +

приведены данные статистических измерений микротвердости боридов FeB и Fe2B в борирбванном и боросилицированном слоях стали 45 (измерения выполнены на приборе ПМТ-3 при нагрузке 100 г). Максимумы частотных кривых микротвердо­ сти борида FeB в случаях «чистого» борирования и боросилицирования совпадают и отвечают микротвердости 1850 кГ/мм2. Максимум частотной кривой микротвердости борида Fe2B в случае бороснлицирования смещен в сторону более высоких значений мпкротвердости и соответствует 1550 кГ/мм2, в то

170