ИНДУКЦИОННОЕ БОРИРОВАНИЕ СТАЛЕЙ

 

INDUCTION STEEL BORATING

 

Марусин В.В., Щукин В.Г. (Институт теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича СО РАН, Новосибирск, РФ)

Marusin V.V., Schukin V.G. (Khristianovich Institute of Theoretical and Applied Mechanics, SB RAS, Novosibirsk, Russia)

 

Рассмотрены особенности процесса борирования сталей при их индукционной  высокоэнергетической обработке.

Features of process of borating of steels at induction high-energy treating are considered.

 

Ключевые слова: поверхностное борирование стали, индукционная высокоэнергетическая обработка

Keywords: superficial steel borating, induction high-energy treating

 

Среди методов поверхностного упрочнения в машиностроении широко используется легирование поверхности упрочняющими добавками [1], в том числе насыщение поверхности стальных деталей бором (борирование - диффузионное насыщение поверхности металла бором с образованием боридов железа FeB и Fe2B).

Установлена возможность получения  тонких  высокопрочных борированных слоев на деталях из средне – и высокоуглеродистых сталей методом совмещения процесса легирования и  индукционного нагрева. Эти слои толщиной от 4×10-6 до 10 ·10 –6 м получены при скоростях Vx= (0.1…1)×10-2 м/с, удельной мощности ВЧ-генератора Wуд =(1.5…2.5)×107 Вт/м2 и составах паст: «B4C+криолит+ГЭС» и «аморфный бор + ПЭФ». Здесь ГЭС - гидролизованный этилсиликат, ПЭФ - полисилоксан марки ПЭФ. При этом концентрация бора в   поверхностном слое составила (0.12…0,15) об. %.   Выбор  состава паст производился на основе анализа существующих методов борирования при скоростном нагреве.

Критериями их выбора являлись:

·        известная из литературы их проверка на эффективность борирования.

·        безопасность изготовления шихты и удобство работы с ней.

·        возможность проведения процесса борирования при максимально высокой температуре высокоэнергетического индукционного нагрева поверхностного слоя стали (вплоть до подплава).

·        экономическая доступность компонентов, входящих в состав паст.

·       относительно низкие значения остаточных напряжений в поверхностном слое стали после борирования.

На рис. 1 приведена схема   экспериментальной установки.

Рисунок 1 - Схема  установки

а-  установка  ВКИН, б- схема упрочнения

 

Установка достаточно компактна, занимаемая ею площадь составляет 6 м2. На рис. 2 приведены схемы конструкций индукторов, использованных при отработке процесса борирования. 

Рисунок 2 - Схемы конструкций индукторов.

а – плоский,  б – петлевой,  в- П-образный;

1 - трубка с охлаждающей водой; 2, 4 - ферритовый концентратор; 3 - проводящая часть индуктора; 5 - вода; 6 - обработанный слой; 7 - обрабатываемая деталь

 

Экспериментально доказано, что индукторы петлевой формы обеспечивают максимальное тепловыделение в поверхностном слое (ПС) образца, чем достигается  максимальная микротвердость.

Разработана совмещенная математическая модель для процесса диффузионного легирования ПС стали  при высококонцентрированном индукционном нагреве (ВКИН) [2].  Модель состоит из тепловой, учитывающей влияние температуры на теплоемкость, температуропроводность, электропроводность, магнитную проницаемость, и диффузионной моделей. Разработан метод решения  этой модели. Модель реализована в виде программы на языке Delphi.         

Установлена корректность разработанной совмещенной математической модели процесса легирования сталей бором при ВКИН. Расхождение результатов расчета и экспериментов составило £ 15% .

Экспериментально установлено, что под борированным слоем находится упрочненный слой  глубиной от (0.1…2.5)×10-4 м, полученный за счет автозакалки при ВКИН с повышенной микротвердостью Н30 = (4…5) ГПа, с дальнейшим понижением микротвердости  до исходной на глубине  до ~1×10-4 м , т.е. образуется слоистая структура поверхностного слоя стали (рис. 3).

Рисунок 3  - Структура упрочненного слоя

       

Установлено, что увеличение микротвердости и износостойкости борированных слоев  в 1.5 - 2 раза наблюдается при петлевой конструкции индуктора, при зазоре  между индуктором и деталью (1…1.5)×10-3м, скорости обработки (0.1…0.6)×10-2 м/с, удельной мощности до 5×107 Вт/м2  и производительности до 5×10-4 м2/c. При этом удельная мощность равна  2×107 Вт/м2. На рис. 4 приведена зависимость микротвердости стали от скорости развертки.

Рисунок 4 - Зависимость микротвердости стали 45 от скорости при разных пастах с использованием плоского индуктора (0.15x 1)∙10 –4 м2, h=1 ∙10–2 м,

1 -аморфный бор + ПЭФ, 2-  карбид бора + криолит + ГЭС, 3-  ВКИН

 

На рис. 5 приведены зависимости износостойкости полученных покрытий.

Рисунок 5 - Зависимость относительного износа поверхности  образца  от скорости обработки: 1– исходная сталь, 2 – паста «аморфный бор + ПЭФ»,

3 -  паста « карбид бора + криолит + ГЭС»

 

Концентрация бора в борированном слое (см. рис. 6) составляет (0.12…0.15) об. %     (1об %.»1027 ат/м3). Известно, что до концентраций бора порядка 0,002 – 0,005 % весь бор, находясь в твердом растворе, концентрируется в тонких пограничных слоях зерен аустенита и при охлаждении снижает скорость зарождения центров кристаллизации перлита. При более высоком содержании бора  концентрация его на границах зерен аустенита превышает предел насыщения, и появляются отдельные включения боридных фаз, действующие как центры кристаллизации перлита.

Рисунок 6 - Распределение концентрации бора (об. %) в поверхностном слое стали 45 при различных  Vx :

1 -   0.1 ·10-2,   2 -   0.3 ·10 -23 -  0.6 ·10-2 м/с

Паста: карбид бора+ криолит+ ГЭС

 

Проведенные производственные испытания режущего инструмента с борированным поверхностным слоем показали, что разработанный метод  по сравнению с используемым методом лазерной закалки производительней в 2,5 раз  и энергетически экономичнее более чем в 10 раз.

 

Список использованных источников

1.  Поляк М.С. Технологии упрочнения. - М: Машиностроение, 1995, т.1.- 824 с.

2.  Щукин В.Г., Филимоненко В.И., Марусин В.В.. Борирование стали при индукционной обработке // ФХОМ, 2003. -№ 4. - С. 54-62.