книги из ГПНТБ / Многокомпонентные диффузионные покрытия

время как для «чистого» борирования он соответствует 1350 кГ/мм2. Полученные результаты позволяют утверждать, что кремний в заметных количествах растворяется в бориде Fe2B и практически не растворяется в бориде FeB.

Данные спектрального анализа поверхности боросилицированных образцов, в структуре которых отсутствовал борид FeB, а иглы борида Fe2B составляли сплошной слой на по­ верхности образца, подтверждают вывод об образовании при

Рис. 71 Микроструктуры борссилицированных слоев на сталях 40Х (а),

40М (б), 40Н2 (в), 40Г2 (г)

боросилицировании легированного кремнием борида Fe2B. Содержание кремния на поверхности боросилицированного образца в этом случае достигает 5—7%.

Об этом же свидетельствуют и результаты исследования перераспределения кремния в процессе формирования боридного слоя на кремнистых сталях (рис. 71). Кремний практиче­ ски полностью вытесняется из зоны борида FeB в Fe2B и далее в зону а-фазы.

Боросилицирование в смеси порошков, содержащей 90% борсодержащей компоненты (84% В4С+16% Na2B40 7) и 10% кремнийсодержащей компоненты (95% Si+5% NH4C1), по сравнению с борированием из твердой фазы приводит к более высокому повышению относительной износостойкости углеродистых сталей при абразивном износе (табл. 40) [271].

Так, боридные покрытия увеличивают износостойкость ста­ ли 10 и У8А при абразивном износе в 4,2 и 4,4 раза, а боросили-

171

цирование (в смеси с соотношением борсодержащей и крем­ нийсодержащей компонент 90 : 10) — в 5,5 и 6,8 раза соответ­ ственно.

Указанная закономерность, по всей вероятности, св'язана с легированием борида Fe2B кремнием и повышением за счет этого его микротвердости.

С увеличением содержания кремния в смеси до 20% и выше износостойкость покрытий по сравнению с боридными

Микрзтйердссть, н Г /тг

Рис. 72. Результаты статистических измерений микротвёрдости боридов FeB и Fe2B в борированном и боросилицированном слоях стали 45

снижается. Связано это с уменьшением толщины сплошного слоя боридов и увеличением относительного содержания в слое силицидных фаз. Боросилицирование несколько повыша­ ет коррозионную стойкость сталей. Исследования коррозион­ ной стойкости выполнены на стали 20. Режимы нанесения диффузионных покрытий приведены в табл. 41. Длительность испытаний составила 4 сут. В качестве сред для испытания

172

для испытания, очищались от продуктов коррозии, промыва­ лись, просушивались и взвешивались. После окончания испы­ таний образцы подвергались металлографическому исследо­ ванию.

Полученные результаты приведены в табл. 42—44. Из табл. 42 видно, что боросилицирование по всем исследованным режимам существенно повышает коррозионную стойкость стали 20 в 3%-ном водном растворе NaCl (в 3—5 раз). Поте­ ри веса боросилицированных образцов стали 20 в 3%-ном водном растворе NaCl заметно меньше, чем борированных или силицированных. Однако при металлографическом исследова­ нии было установлено, что в боросилицированном слое в от­ дельных местах происходит структурно-избирательная корро­ зия. При этом коррозионному разрушению подвергается лишь кремнистый феррит, а боридные иглы практически не раство-

173

174

ряются. Проникнув под диффузионный слой, коррозия рас­

пространяется под ним.

Из металлографических исследований следует, что бороснлицнрованные слои с двухфазной структурой на поверхно­ сти (бориды+кремннстый феррит) не могут быть рекомендо­ ваны для длительной работы в водных растворах хлористого натрия. Интерес с этой точки зрения представляет процесс боросилицирования, проводимый в режиме борирования, ког­ да основу покрытия составляют боридные фазы. Указанные слои могут быть получены в расплавах, содержащих до 30% Na2Si0 3 (остальное бура), или порошкообразных смесях, содержащих менее 10% кремния. Покрытия, полученные в указанных насыщающих средах, имеют на 20—30% более высокую коррозионную стойкость в 3%-ном водном растворе хлористого натрия, чем «чисто» боридные. Указанные покры­ тия особенно эффективны в условиях одновременного коррози­ онного и истирающего воздействия внешней среды. Боросилнцированные слои, полученные насыщением по 5-му и 6-му ре­ жимам (см. табл. 41), по своим рабочим свойствам в растворах хлористого натрия аналогичны силицированным слоям.

При испытании в 10%-ном водном растворе соляной кис­

серной кислоты показали силицированные слои (табл. 44). Боросилицированные слои, полученные обработкой по 5-му

режиму, имели такую же коррозионную стойкость, как и си­ лицированные, но, так как относительное содержание боридных фаз в таких покрытиях невелико, они не имеют существен­ ных преимуществ перед силицированными.

От коррозии в 10%-ном водном растворе азотной кислоты боридные, силицидные и боросилнцидные покрытия обычные углеродистые стали не защищают.

Испытания диффузионных слоев на жаростойкость прово­ дились при температурах 700, 800 и 900 °С в муфельной печи в атмосфере воздуха. Исследования выполнены на сталях 40Х и 1Х18Н9Т. Продолжительность испытаний 25 ч. После каж­ дых 5 ч испытаний тигли с образцами извлекались из печи, охлаждались до 150—100 °С, после чего помещались в эксика­ тор и выдерживались до полного охлаждения. Оценка жаро­ стойкости образцов осуществлялась по увеличению их веса. Насыщались образцы по режимам, указанным в табл. 41. Результаты насыщения приведены в табл. 45, а результаты испытаний — в табл. 46. Как видно из приведенных данных,

175-

2. БОРОХРОМИРОВАНИЕ

Одновременное насыщение сталей бором и хромом можно осуществлять электролизным [80, 83, 321, 322] и жидкостным безэлектролизным [323] методами. Комплексное насыщение бором и хромом из порошков элементов или их ферросплавов, по данным работы [24], невозм о ж н о При борохромировашш в смеси с содержанием хрома (^о 7 0 ^ )іроисходит преимущест­ венно борированне, а при содержании 90% Сг и выше — хро­ мирование. В интервале концентраций хрома в смеси от 70 до 90% диффузионные слои не образуются, последнее объясня­ ется взаимодействием диффузантов в насыщающей смеси.

Электролизное борохромирование осуществляется в рас­ плавах буры с добавками окиси хрома или в расплавах систе­ мы В2О3—СГ2О3 с различными разбавителями: окислами или солями щелочных металлов. Например, в работе [83] рекомендован электролит следующего состава:

3 — 8 %Сг20 3 + 75 — 80 % В20 3 -]- 22— 12%N aF.

В наших исследованиях концентрация Сг20 3 изменялась от 10 до 50% (остальное бура), в работах [80, 83, 321] иссле­ дованы электролиты с меньшими концентрациями окиси хрома.

Образцы подключались в цепь электролиза в качестве ка­ тода, анодом служили графитовые стержни.

Полученные результаты в виде диаграммы состав распла­ ва — величина внешней э.д.с. — структура диффузионного

1050 °С). Линии 1 и 2 диаграммы соответствуют началу выде­ ления на катоде хрома и бора.

Линии 3 и 4 ограничивают на диаграмме области борпрования и хромирования от области совместного насыщения железа хромом и бором. В области I диффузионные слои от­ сутствуют. Во И области диффузионные слои внешне не отли-

178

чаются от «чисто» боридных и состоят из боридов железа FeB и Fe2B, легированных хромом. В области хромирования (IV) на железе формируется диффузионный слой, представ­ ляющий собой твердый раствор хрома и бора в ос-железе, на сталях слои карбидного типа (Сг, Ре)2зСб+(Сг, Fe)7C3. В III области формируются комплексные покрытия, состоящие из твердого раствора бора и хрома в a -железе и боридов хрома (возможно, легированных железом).

Рис. 73. Структурная диаграмма электролизного борохромирования

В работе [83] приведены отличающиеся от описанных выше данные по фазовому составу диффузионных слоев. На основании данных рентгеноструктурного анализа авторы [83] считают, что в диффузионном слое присутствуют следующие

«чисто» хромированных до борированных с большой гаммой борохромированных слоев, отличающихся соотношением в них боридных фаз и твердого раствора.

Напряжения выделения хрома и бора в расплавах, содер­ жащих до 30% Сг20 3, очень близки по величине и практически не изменяются с увеличением количества окиси хрома. Диффу­ зионные слои, полученные при насыщении из указанных электролитов, как уже отмечалось, имеют двухфазное строение и состоят из твердого раствора (хрома и бора в железе) и бо­ ридов хрома (возможно, легированных железом), располо­ женных над твердым раствором.

Увеличение напряжения на ячейке в случае электролиза расплавов, содержащих до 15% Сг20з, приводит вначале к об­ разованию двухфазного борохромированного слоя, а затем борированного слоя, состоящего из боридов железа (легиро­ ванных хромом). Для расплавов, содержащих больше 30% оки­ си хрома, выделение хрома и бора происходит при различных напряжениях, причем напряжение выделения бора с измене­ нием состава расплава изменяется значительно интенсивнее, чем хрома. Некоторое увеличение напряжения выделения хро­

ма может быть объяснено повы­ шением вязкости расплава и уменьшением в связи с этим ско­ рости диффузии в нем ионов хрома.

Рис. 74. Влияние длительности насыще­ ния на глубину борохромированного слоя стали 45 при 1050°С

Существование на диаграмме областей борирования и хромирования, ограниченных кривыми 3 и 4, связано с тем, что электролиз здесь идет в режиме предельного тока соот­ ветственно для хрома в первой области и для бора во второй.

Помимо результатов, полученных при температуре 1050°С (сплошные линии), на рис. 73 нанесены для сравнения дан­ ные исследований при температуре 950 °С (штриховые ли­ нии). Из сравнения приведенных данных видно, что повыше­ ние температуры насыщения приводит к расширению области совместного насыщения железа бором и хромом. При этом область чистого хромирования также несколько расширяется, а борирования, наоборот, сужается. Начало области чистого хромирования (с повышением температуры насыщения) повы­ шается с концентрации окиси хрома в расплавеуравной двад­ цати процентам (от веса буры), до тридцати процентов. Каче­ ственно закономерности, полученные при температуре 1050 °С, сохраняются и при 950 °С.

С повышением содержания в расплавах окиси хрома глу­ бина и микротвердость слоя уменьшаются, и содержание в нем хрома увеличивается [83].

Изменение фазового состава и глубины диффузионного слоя в зависимости от времени насыщения и величины внеш­ ней э.д.с. (катодной плотности тока) видно из рис. 74, 75.

Структурные диаграммы в сочетании с исследованием ки­ нетики формирования покрытий позволяют выбрать состав

180

расплава и режим насыщения для получения любого по строе­ нию диффузионного слоя.

Наряду с электролизным методом получения борохромиро­ ванных слоев с успехом может быть использован жидкостный безэлектролизный метод. Насыщение проводится в тех же по составу расплавах, что и электролизное борохромирование, но с добавкой соответствующего восстановителя. В качестве та­ кого восстановителя может использоваться силикокальций. На рис. 76 приведена зависимость глубины слоя от соотно-

Рис. 75. Влияние внешней э.д.с. на глубину и фазовый состав борохромированных слоев:

сталь 45, ^=1050°С, т = 3 ч (1 — хромиро­ ванный слой, 2 — борированный, 3 — полная глубина слоя)

шения буры и окиси хрома в расплаве при постоянном, опти­ мальном количестве силикокальция (15 вес. %) и указаны об­ ласти характерных диффузионных слоев. Борохромирование

Рис. 76. Диаграмма состав смеси — глубина слоя для жидкостного борохромирования армко-железа (У) и стали 45 (2)

181