Что такое борированная сталь

Обновлено: 22.01.2025

Борированная сталь имеет весьма твердый ( HV 1400 - 1500, Нц 1800 - 2000) износостойкий борированный слой, обладающий, однако, большой хрупкостью. Борирование применяют для упрочнения различных деталей, например, внутренних поверхностей втулок грязевых нефтяных насосов, работающих в тяжелых условиях абразивного износа. [4]

Борированные стали обладают высокой коррозионной стойкостью в водных растворах соляной, серной и фосфорной кислот, причем при одинаковой толщине слоя однофазные боридные слои имеют большую кислото-стойкость, чем двухфазные. В азотной кислоте боридные слои неустойчивы, однако скорость разрушения борированных сталей в 1 5 - 5 раз ниже, чем неборированных. [5]

Была исследована защитная способность борированной стали в 3 % - ном растворе Nad при различной степени насыщения электролита сероводородом. [6]

Для нагрева под закалку и нормализацию борированных сталей рекомендуются ванны следующего состава: 50 % Nad 50 % КС. [7]

Нитриды, бориды, обладающие высокой твердостью и износостойкостью, обеспечивают износостойкость азотированной и борированной стали . [8]

Процесс борирования имеет существенные недостатки, т.к. борирование вызывает в стали повышенную хрупкость; в условиях атмосферной коррозии и коррозии в воде борированные стали недостаточно стойки. [9]

При борировании повышаются твердость ( до 2000 HV), сопротивление абразивному износу и коррозионная стойкость. Борированная сталь теплостойкая ( до температуры 900 С), жаростойкая ( до температуры 800 С), но очень хрупкая. Чаще всего борируют среднеуглеродис-тую сталь при температуре 850 - 900 С с выдержкой в течение 2 - 6 ч; глубина слоя 0 15 - 0 35 мм. Борирование производят двумя способами: электролизным и газовым. [10]

В зависимости от вида материала, из которого изготовлена камера, этот износ может достигать весьма больших величин, превышая примол шаров к продукту в шаровых мельницах. Только борированная сталь , металлокерамика и твердые сплавы позволяют резко снизить износ, доводя его до 0 04 - 0 015 кг на 1 т продукта измельчения. [11]

При борировании повышаются твердость ( до 2000 HV), сопротивление абразивному износу и коррозионная стойкость. Борированная сталь теплостойкая ( до температуры 900 С), жаростойкая ( до температуры 800 С), но очень хрупкая. Чаще всего борируют средне-углеродистую сталь при температуре 850 - 900 С с выдержкой в течение 2 - 6 ч; глубина слоя 0 15 - 0 35 мм. [13]

Борированные стали обладают повышенной износостойкостью при нагреве до 900 С. Борирование повышает одновременно коррозионную стойкость углеродистых высокохромистых и аустенитных сталей. [15]

Борирование стали

Для повышения эксплуатационных свойств сталей различных марок применяют различные способы обработки поверхности материала. В числе распространенных методик не последнее место занимает технология борирования. Суть технологии заключается в насыщении поверхностного слоя металла соединениями бора и железа FeB и Fe₂B.

Насыщение поверхности металла солями бора резко повышает износостойкость изделий из-за высокой поверхностной твердости прошедшей технологию борирования стали. Различные методы обработки преследуют одинаковую цель – повысить износостойкость борированной стали как того требует специфика применения изделий.

Применяя изделия из углеродистой стали, насыщенной бором, можно в некоторых отраслях промышленности сократить расход дорогих легированных сталей, поскольку обработка даже такой марки стали как Ст3 позволяет увеличить износостойкость в абразивной жидкостной среде в десятки раз.

Технология борирования

Основное назначение борирования поверхности – повышение износостойкости поверхности изделий при работе в агрессивных и абразивных средах при температурах до 800°С. Насыщение поверхностного слоя стали бором применяется для быстрорежущего и штамповочного инструмента, деталей дробильных и просеивающих машин, буровых установок и центробежных насосов.

Образование соединений бора приводит к некоторому изменению геометрических размеров детали, поэтому технологический процесс включает в себя механическую обработку поверхностей после образования упрочненного слоя. Ввиду высокой твердости и устойчивости к абразивам для обработки поверхностей используют шлифование и полирование поверхностей.

Технология борирования производится по различным методикам, применение которых диктуется особенностями производства и видами обрабатываемых изделий. Режим проведения процесса зависит от желаемой толщины покрытия и марки стали. Обычно борируемые стали содержат значительное содержание углерода и легирующих присадок. В перечень материалов, к которым применяется рассматриваемая технология, входят также изделия из нержавеющей стали.

Влияние легирующих элементов на глубину борированного слоя

Методы борирования стали

Большое разнообразие методов борирования стали позволяет использовать наиболее технологичные в каждом конкретном производстве. Наиболее распространенные методики таковы:

В газообразной среде;
В жидкой среде;
В твердой среде.

В некоторых случаях насыщение бором производится непосредственно при отливке деталей. Такой способ позволяет существенно упростить технологический процесс изготовления деталей конструкции, не требующих высокой точности при окончательной обработке.

Перечисленные выше методики обработки включают в себя большое количество разновидностей, которые отличаются некоторыми нюансами.

Комбинированное борирование углеродистой стали

Жидкостное безэлектролизное борирование

Для жидкостного борирования применяются расплавы смесей, основной составляющей которых является тетраборат натрия (бура) с добавкой карбида бора, хлорида натрия и силиката марганца. Температура расплавленной массы составляет 900°С. Толщина обработанного слоя может составлять до 0.2 мм. Жидкостное борирование в расплаве имеет то преимущество, что глубина обработки не зависит от формы обрабатываемой поверхности. Из недостатков нужно отметить, что расплав активных веществ быстро истощается, при этом компенсация расхода отдельных компонентов затруднена, как и определение химического состава смеси.

Примеры применения технологии жидкостного борирования

Электролизное борирование

Сократить время процесса при жидкостном борировании помогает использование эффекта электролиза при прохождении электрического тока через обрабатываемую деталь и расплав. Процесс электролизной обработки проходит при небольших значениях плотности тока и тех же температурах расплавленного электролита, что и при простом жидкостном борировании. Хотя при таком способе используется только бура, недостатком является ее большой расход, поскольку часть бора при электролизе выпадает в виде аморфной массы, которая, кроме того, может образовывать дефекты на поверхности заготовки.

Снизить температуру расплава помогает введение фторосодержащих добавок – фторида и фторбората натрия.

Газовое борирование

Равномерное и однородное проникновение бора в поверхностный слой металла достигается при использовании метода газового борирования. Борирование деталей производится при температуре 850°С в среде газов, содержащих оксиды, галогениды и водородные соединения бора. Выделяющийся при термическом разложении газов атомарный бор, оседает на поверхности изделий и диффундирует вглубь металла.

Следует отметить, что некоторые борирующие смеси газов очень взрывоопасны, что накладывает ограничения на применение данной методики.

Цианирование стали

Существует множество способов обработки стали, направленных на изменение ее свойств. Один из них — цианирование. Виды, технологии, принципы, особенности и применение данных работ рассмотрены далее.

Суть технологии

Цианированием называют один из видов химико-термической обработки стали. Суть данного метода состоит в насыщении металлических поверхностей азотом и углеродом в температурном диапазоне от 530 до 950°С. По технологии это напоминает совмещение азотирования и цементации.

Рассматриваемый метод используется для сталей различных типов. Так, осуществляют цианирование нержавеющей стали, легированной, высокохромистой, с различным содержанием углерода, без легирующих добавок, конструкционной, быстрорежущей.

Цель цианирования состоит в улучшении свойств металла. Так, данная технология обработки повышает твердость, предел выносливости, износостойкость материала. Принцип цианирования основан на диффузии в структуру материала углерода и азота.

Данный процесс включает две стадии:

Сначала происходит насыщение верхнего слоя углеродом и азотом. Это продолжается 1 — 3 ч.
Далее абсорбированные в структуру материала атомы азота могут десорбироваться (выходить через поверхность, перейдя в газовую фазу). При этом насыщение углеродом продолжается и на втором этапе.

Ход рассматриваемого процесса определяется температурным режимом. Так, в диффузионном верхнем слое при возрастании температуры сокращается содержание азота, и увеличивается количество углерода, причем непрерывно либо до конкретного момента. На последних стадиях операции концентрация азота начинает сокращаться. Вследствие этого возможна фиксация насыщения данным элементом верхнего слоя стали при различных температурах. Сокращение содержания азота и повышение концентрации углерода при возрастании температуры происходит линейно. Однако это актуально лишь для верхнего слоя материала, а в нижележащих данная закономерность не наблюдается.

Величина насыщения также значительно зависит от науглероживающих параметров среды, в которой осуществляется цианирование металла.

Кроме того, на особенности совместной диффузии воздействует количество азота, определяющее глубину распространения диффузии углерода и величину насыщения им слоя. Чрезмерное содержание азота может повлечь недостаточную скорость диффузии углерода. Это объясняется способствованием азота формированию карбонитридных образований на поверхности.

Глубина проникновения обоих элементов в сталь определяется ее микроструктурой. Однако в любом случае азот проникает на большую глубину, чем углерод.

Таким образом, результат работ определяется несколькими факторами. К ним относятся температура нагрева, концентрация азота и углерода, свойства среды и материала.

Поточный агрегат для цианирования

В результате на поверхности стали формируется двухслойное покрытие. Сверху расположен карбонитридный слой (Fe₂(C, N)) толщиной 10 — 15 мкм. Он характеризуется высокой износостойкостью и меньшей хрупкостью в сравнении с чистыми нитридами и карбидами. Нижележащий слой представлен азотистым твердым ферритом (мартенситом). Общая толщина — 0,15 — 2 мм.

Цианирование классифицируют на основе следующих особенностей:

температурного режима;
фазового состава среды.

На основе фазы среды цианирование классифицируют на:

Принцип называемого также нитроцементацией газового цианирования заключается в нагреве при 530 — 570°С на протяжении 1,5 — 3 ч. предмета в содержащей азот и углерод газовой смеси, включающей, например, аммиак (NH₃) и окись углерода (CO). Химическое взаимодействие названных газов приводит к формированию атомарных азота и углерода. Они создают слой, толщина которого определяется температурой и длительностью и составляет от 0,02 до 0,004 мм. Его твердость равна 900 — 1200 HV.

Технология твердого цианирования близка к твердой цементации. Отличие состоит в составе карбюризатора: для рассматриваемых работ применяют материал, содержащий цианистые соли. Твердое цианирование по производительности значительно уступает прочим видам, поэтому оно используется редко. Далее рассмотрены более подробно жидкое и газовое цианирование.

Установка для цианирования

Жидкое цианирование является наиболее распространенным способом. При этом применяют расплавленные цианистые соли, представленные NaCl, NaCN, Na₂CO₃, BaCl₂, BaCO₂ в различных концентрациях и сочетаниях.

Существует регламент, определяющий температурный режим и продолжительность работ для разных составов смесей. Он же отображает толщину получаемого в результате слоя, которая составляет 0,15 — 1,6 мм. Взаимодействие цианистых солей натрия с содой и солью приводит к их разложению с выделением атомарных азота и углерода. Основным компонентом цианистых солей является CN. Повышение его содержания приводит к возрастанию концентрации азота и углерода в диффузионном слое, но не сказывается на его толщине. Жидкое цианирование служит в качестве окончательной обработки стали.

На основе температурного режима цианирование подразделяют на низко- и высокотемпературное. Обработка металла первого типа обеспечивает большее насыщение азотом, а высокотемпературное цианирование — наоборот углеродом.

Жидкую высокотемпературную обработку, называемую также жидкостной цементацией, осуществляют путем выдерживания деталей в печах-ваннах при 840 — 950°С на протяжении 5 — 45 мин. Такой способ позволяет достичь толщины диффузионного слоя до 0,075 — 0,1 мм. Данный параметр определяется температурой и длительностью процесса. В любом случае наращивание слоя таким методом быстрее, чем при газовом цианировании. Однако данный способ весьма вредоносен, так как расплавленные цианистые соли токсичны. Поэтому необходимы особые меры безопасности при осуществлении таких работ.

Ввиду этого жидкостной высокотемпературной технологии предпочитают газовое цианирование, несмотря на меньшую скорость работ. Это компенсируется меньшей стоимостью. Его осуществляют при 830 — 950°С в муфельных печах на протяжении 1 — 2 ч. По завершении закалки и низкого отпуска твердость обработанного данным способом материала возрастает до 60 — 64 HRC (56 — 62 по другим данным).

Низкотемпературное цианирование стали среднеуглеродистого состава называют также тенифер-процессом. Он заключается в насыщении материала преимущественно азотом путем пропускания через него сухого воздуха при 540 — 600°С.

Перед низкотемпературным цианированием осуществляют термическую обработку полного цикла при 500 — 600°С.

Процесс цианирования стали

Таким образом, низкотемпературное цианирование создает слой с большим содержанием азота, а при высокотемпературном образуется покрытие преимущественно углеродного состава (концентрация углерода составляет 0,6 — 1,2%, азота — 0,2 — 0,6%).

Применение

Учитывая результаты цианирования, а именно придаваемые им свойства, данный способ обработки используют для подверженных значительным нагрузкам в процессе эксплуатации стальных деталей. К ним относят, например, шестерни и валы. Для данных предметов, а особенно их сердцевин, предъявлены повышенные требования не только к прочности, но и к вязкости. Эти характеристики и придает цианирование.

Область применения данной технологии обработки определяется ее типом. Так, низкотемпературную нитроцементацию используют для быстрорежущих сталей, цианирование — для среднеуглеродистых, быстрорежущих, высокохромистых сталей, а высокотемпературный способ — для шестерен и прочих деталей различных механизмов из простых углеродистых, легированных, средне- и низкоуглеродистых сталей. Кроме того, жидкое высокотемпературное цианирование может применяться с целью придания деталям товарного вида, так как, благодаря такой обработке, на поверхности образуется матовая текстура. Причем для этого нужно нагреть их в цианистой ванне без выдержки.

Достоинства, недостатки

При выборе способа обработки необходимо учитывать толщину изделий, так как тонкие предметы, подвергнутые цианированию, могут иметь большую хрупкость, чем обработанные по технологии обычной цементации детали. Это является недостатком рассматриваемой технологии. Кроме того, в результате такой обработки изменяются свойства не всего материала, а лишь его поверхностного слоя толщиной до 1,6 мм. Наконец, в ходе цианирования необходим постоянный контроль степени науглероживания и азотирования рабочей среды.

Основной положительной особенностью рассматриваемой технологии обработки является относительно невысокий температурный режим. Во-первых, это упрощает осуществление благодаря отсутствию необходимости охлаждения изделия по завершении. Во-вторых, повышает надежность оборудования, снижая его износ. В-третьих, не вызывает деформации обрабатываемых предметов. К тому же в подвергнутом цианированию материале содержится остаточный аустенит, способствующий улучшению многих параметров стали, а именно возрастает ударная вязкость поверхностей, стойкость к износу, прочность на изгиб, пластичность. Кроме того, цианирование повышает твердость (до 58 — 62 HRC) и контактную выносливость материала. Также подвергнутые газовому цианированию детали отличаются улучшенной прокаливаемостью благодаря повышению устойчивости аустенитной структуры стали. Так, например, низколегированную сталь после такой обработки можно закаливать в масле.

Близкие методы

Близким методом является мягкое азотирование. Его осуществляют при температуре примерно 590°С. Такую обработку используют для повышения износостойкости и предела выносливости среднеуглеродистых сталей.

Также по технологии рассматриваемая обработка близка к цементации. В сравнении с ней цианирование выгодно отличается тем, что образуемый слой обладает лучшей износостойкостью и устойчивостью к коррозии, большей твердостью, а также усталостной прочностью. Кроме того, благодаря меньшим температурному режиму и продолжительности процесса, не происходит рост зерен. Ввиду этого сразу по завершении цианирования осуществляют закалку, что придает поверхности большую твердость. Наконец, высокотемпературный процесс цианирования стали занимает меньше времени, чем цементация.

Борирование стали — диффузионное и жидкостное, технологии, достоинства и недостатки

Диффузионной металлизацией принято называть метод обработки сталей либо других металлов и сплавов, при которой поверхностный слой изменяется внедрением молекул других элементов. Все это происходит при очень высоких температурах в специальной среде. Результатом такой обработки является физическое укрепление слоя, а также повышение его жаростойкости, увеличение сопротивляемости процессу коррозии – поверхность менее изнашивается во время эксплуатации.

В отличие от нитроцементации и цианирования, где атомы углерода с азотом непосредственно внедряются в кристаллическую решетку стали, диффузионная металлизация предполагает более сложный процесс, когда атомы других элементов образуют со сталью так называемые растворы замещения, поэтому такой процесс длительный и требует применение более высоких температур, превышающих 1000 градусов по Цельсию.

Главное назначение борирования поверхности – увеличение стойкости к износу поверхности изделий во время работы в агрессивных и абразивных средах при температуре до 800°С. Изобилие слоя поверхности стали бором используется для быстрорежущего и штамповочного инструмента, деталей дробильных и просеивающих машин, буровых установок и центробежных насосов.

Образование соединений бора приводит к некоторому изменению геометрических размеров детали, по этому тех. процесс в себя включает механическую обработку поверхностей после образования упрочненного слоя. Ввиду высокой твердости и стойкости к абразивам для обработки поверхностей применяют шлифовка и полирование поверхностей.

Технология борирования выполняется по самым разным методикам, использование которых диктуется характерностями производства и видами обрабатываемых изделий. Режим проведения процесса зависит от желаемой толщины покрытия и марки стали. В большинстве случаев борируемые стали содержат большое содержание углерода и легирующих присадок. В список материалов, к которым применяется рассматриваемая технология, входят также изделия из нержавейки.

Воздействие легирующих компонентов на глубину борированного слоя

Газовое борирование

Газовое борирование схоже с процессами цементации и азотирования сталей. Процесс проводят в печах в среде диборана (В2Н6), треххлористого бора (ВСl3), триметила — (СН3)3В или других борсодержащих веществ. Чаще применяют диборан и треххлористый бор, который разбавляют водородом, аргоном, азотом или аммиаком. Применение азота в качестве разбавителя сильно снижает взрывоопасность среды. Насыщение прoводят при температурах 800-900°С. Время выдержки составляет от 2 до 6 часов. Существенное влияние на результаты борирования оказывает избыточное давление насыщающей среды. При газовом борировании на углеродистых сталях формируется боридный слой толщиной 0,1-0,2 мм и твердостью 1800-200HV.

Широкое разнообразие методов борирования стали дает возможность применять наиболее технологичные в каждом определенном производстве. Самые популярные методики такие:

В газообразной обстановке;
В жидкой обстановке;
В твёрдой обстановке.

В большинстве случаев изобилие бором выполняется конкретно при отливке деталей. Этот способ дает возможность значительно облегчить технологический производственный процесс деталей конструкции, они не требуют большой точности при финальной отделке.

Вышеперечисленные методики обработки в себя включают огромное количество разных видов, которые отличительны определенными тонкостями.

Для жидкостного борирования используются расплавы смесей, главной составляющей которых считается тетраборат натрия (бура) с добавлением карбида бора, хлорида натрия и силиката марганца. Температура расплавленной массы составляет 900°С. Толщина отделанного слоя может составлять до 0.2 мм. Жидкостное борирование в расплаве имеет то преимущество, что глубина обработки не зависит от формы поверхности которая обрабатывается. Из плохих качеств стоит отметить, что расплав активных веществ быстро истощается, при этом компенсация расхода некоторых элементов затруднена, как и обозначение химического состава смеси.

Варианты использования технологии жидкостного борирования

Уменьшить время процесса при жидкостном борировании помогает применение эффекта электролиза при прохождении электротока через обрабатываемую деталь и расплав. Процесс электролизной обработки идет при маленьких значениях плотности тока и тех же температурах расплавленного электролита, что и при простом жидкостном борировании. Хотя при этом способе применяется только бура, минусом считается ее чрезмерный расход, потому как часть бора при электролизе падает в виде аморфной массы, которая, более того, может образовывать изъяны на поверхности заготовки.

Уменьшить температуру расплава помогает введение фторосодержащих добавок – фторида и фторбората натрия.

Одинаковое и однородное проникновение бора в верхний слой металла достигается во время использования метода газового борирования. Борирование деталей выполняется при температуре 850°С в обстановке газов, содержащих оксиды, галогениды и водородные соединения бора. Выделяющийся при термическом разложении газов атомарный бор, садится на поверхности изделий и диффундирует вглубь металла.

Нужно сказать, что некоторые борирующие смеси газов очень взрывоопасны, что налаживает ограничения на использование этой методики.

Если вы нашли погрешность, пожалуйста, выдилите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Борирование применяют для повышения износостойкости втулок подшипников и рабочих колёс погружных электроцентробежных насосов, дисков пяты турбобура, вытяжных, гибочных и формовочных штампов, деталей пресс-форм машин литья под давлением и деталей из углеродистых и легированных сталей с различным содержанием углерода (20, 18ХГТ, 15X11МФ, Х23Н18, 45, 40Х, Х12, У10 и др.). Стойкость деталей после борирования увеличивается в 2—10 раз.

Изделия, подвергшиеся борированию, обладают повышенной до 800 °C окалиностойкостью и теплостойкостью до 900—950 °C. Твёрдость борированного слоя в сталях перлитного класса составляет 15 000—20 000 МПа.

Плюсы и минусы диффузионного насыщения металлов

Применяя диффузионную металлизацию, в поверхностный слой металлического изделия можно внедрить практически любой диффундирующий элемент – это следует отнести к положительным аспектам метода.

Отрицательные же аспекты, которые не позволяют широко использовать такую обработку на предприятиях, следующие:

скорость диффузии очень мала и требует многих часов обработки;
поддержание высоких температур ведет к серьезным затратам энергии;
из-за повышенного нагрева деталь подвергается деформации;
полученный слой уступает по показаниям защиты слоям, получаемым менее затратными методами, например нитроцементацией.

Борированная высокопрочная сталь

Сталь 30mnb5 используется для производства деталей, обладающих высокими прочностными характеристиками. После высокотемпературной отработки (закалки и отпуска) они характеризуются исключительными показателями прочности, износостойкости, вязкости и устойчивости к механическим нагрузкам.
В горячекатаном состоянии она легко поддается формованию и гибке, прекрасно режется и сваривается. Это делает возможным изготовление сложных деталей, конструкций и компонентов.

Промышленное применение

Листовая сталь 30mnb5 нашла широкое применение в сельскохозяйственном машиностроении. Из нее производят: ручные инструменты, плуги, ножи и режущие полотна, лопасти, гусеничные цепи, износостойкие накладки, ножи для грейдера и многое другое.
Марка стали 30mnb5 имеет ряд преимуществ перед 65Г и аналогами, ее использование будет более эффективным решением. Вот некоторые из них: в горячекатаном состоянии она более пластична, лучше поддается холодному формоизменению и резке.
После закалки и отпуска изделия приобретают высокие механические качества. Их прочность и твердость гарантируют более высокую эксплуатационную стойкость готовой продукции.

Сварка стали 30mnb5

При сварке стали, содержащей бор необходимо использовать стандартные технологии (только в горячекатаном или закаленном состоянии). Обязательное условие к сварочным материалам - низкое содержание водорода.
Для сварки в горячекатаном состоянии можно использовать стандартные методы сварки как для высокопрочной стали.

Борированная высокопрочная сталь марки 33MnB5

обладает высокой прочностью на удар и износ.

Читайте также: