УДК 621.793.4

ОДНОВРЕМЕННОЕ ЭЛЕКТРОЛИЗНОЕ НАСЫЩЕНИЕ СТАЛИ БОРОМ И АЛЮМИНИЕМ

 

SIMULTANEOUS ELECTROLYZE SATURATION BECAME BORON AND ALUMINUM

 

Крукович М.Г. (Российский университет транспорта (МИИТ) г. Москва, РФ)

Krukovich M.G. (Russian University of Transport (MIIT) Moscow)

 

Разработан процесс одновременного насыщения сталей бором и алюминием из расплавов солей с применением электролиза. Исследованы свойства получаемых слоев и показана возможность обеспечения благоприятного сочетания жаростойкости и износостойкости.

A process has been developed for the simultaneous saturation of steels with boron and aluminum from molten salts using electrolysis. The properties of the obtained layers were investigated and the possibility of providing a favorable combination of heat resistance and wear resistance was shown.

 

Ключевые слова: насыщение бором и алюминием, солевая ванна, электролиз, износостойкость, жаростойкость, микроструктура

Keywords: saturation with boron and aluminum, salt bath, electrolysis, wear resistance, heat resistance, microstructure

 

Ряд деталей нагревательного оборудования работают в условиях изнашивания и повышенных температур. Одним из процессов, обеспечивающих возможность одновременного сочетания износостойкости и сопротивления высокотемпературному окислению является бороалитирование [1]. В то же время, кроме насыщения из порошковых смесей, этот процесс еще недостаточно разработан, а получаемые слои по структуре не в полной мере отвечают эксплуатационным требованиям. Таким образом. целью данной работы является разработка технологии одновременного насыщения сталей бором и алюминием при электролизе расплавленных солей.

Бороалитирование проводят при одновременном или последовательном насыщении. При одновременном насыщении структура получаемых слоев определяется соотношением борирующей и алитирующей составляющих. Например, при насыщении из порошков в смесях, содержащих 10 15 % алитирующей составляющей, образуются слои на основе боридов, при содержании более 80 % - на основе алюминия [2].

Электролизные процессы проводят, как правило, в расплавленных солевых средах. В данной работе в качестве солевой системы для одновременного электролизного насыщения бором и алюминием использовалась смесь окислов Na2O, B2O3 и Al2O3. Данный расплав тройной системы относится к квазибинарной системе: бура (Na2B4O7) и алюминат натрия (NaAlO2). Необходимый состав электролита достигался расплавлением смешанных компонентов Na2B4O7, Na2CO3 и Al2O3. Сода (Na2CO3) при расплавлении в этой системе распадается на окись натрия и углекислый газ, уходящий в атмосферу. В ряде экспериментов в качестве разбавителя для повышения жидкотекучести расплава применялся хлористый натрий (NaCl) или поташ (К2CO3). Присутствие в солевой ионной системе более подвижных катионов щелочных металлов приводило к ослаблению прочных ковалентных связей бора и алюминия с кислородом.

Процесс бороалитирования исследовали в интервале температур 900 – 1050 оС. Нижнюю границу интервал определяла высокая вязкость расплавов, что резко снижало технологичность процесса обработки. Верхняя граница ограничивалась возможностью оплавления обрабатываемой поверхности в особенности при насыщении высокоуглеродистых сталей. Продолжительность обработки составляла 4 – 6 ч. Насыщению подвергали армко-железо, стали 15, 45 и У8.

Наименьшей плотностью тока, необходимой для выделения атомов бора на катоде, принималась плотность тока, при которой на образце образовывался различимый слой боридов, толщиной 3 – 5 мкм. Она составляла 0,05 А/см2. Начало выделения алюминия при содержании NaAlO2 в ванне менее 50% фиксировалось на медном катоде, на котором не образуются бориды, а алюминий хорошо растворяется. Диффузия алюминия при 950 оС окрашивала поверхность меди в золотистый цвет. Плотность тока выделения алюминия на катоде при всех составах электролита составляла ~ 0,15 А/см2. В соответствии с этим бороалитирование проводили при плотностях тока 0,25 – 0,35 А/см2.

Структура бороалитированных слоев исследовалась металлографическим и рентгенографическим методами. Получаемые слои по структуре были разделены на три типа:

- игольчатый слой со структурой типичной для борированного слоя;

- слой с двухфазной структурой α- твердого раствора и крупных включений боридов округлой формы (Рис. 1);

- слой на основе α- твердого раствора алюминия в железе со строчкой боридов на границе раздела диффузионного слоя и основного металла.

Структура слоев второго типа представляла собой α-твердый раствор бора и алюминия в железе с включениями борида Fe2B. Соотношения составляющих слоя зависит главным образом от соотношения борирующей и алитирующей составляющих ванны, температуры проведения процесса и плотности тока. В частности, при 30 % NaAlO2 в расплаве на стали 15 количество α-твердого раствора составляло 20 %, при 40 % NaAlO2 - 45 %, а при 60 % NaAlO2 – 80 %. Таким образом, варьируя составом электролита, создаются условия управления составом и свойствами бороалитированного слоя.

Следует заметить, что соотношение фаз слоя по мере удаления от поверхности несколько меняется, следовательно, меняются и свойства. Однако, статистическая оценка этого изменения показала, что степень изменения свойств по толщине слоя и по всей поверхности и параллельным сечениям составляет ~ 10 %.

Известно, что сплошные боридные слои обладают высокой степенью текстурованности [3-5]. При образовании не сплошного слоя боридов на поверхности при бороалитировании текстурованности боридов не обнаруживается. Низкая текстурованность боридов или ее минимальный характер, определенная с помощью рентгеноструктурного фазового анализа, объясняется отсутствием направленного потока бора в глубине бороалитированного слоя, а рост включений боридов обеспечивался за счет  подвода атомов бора на границу раздела из твердого раствора со всех сторон.

 

        

               а                                                                          б

 

Рисунок 1- Структура бороалитированных слоев второго типа (х 240).

а – армко-железо, 950 оС, 2 ч; б – сталь 45, 1000 оС, 4ч.

 

Практика работы с расплавами, содержащими более 50 % NaAlO2, показала их высокую вязкость. Для повышения их жидкотекучести в расплав вводили NaCl. Наиболее технологичным оказался состав, содержащий (% по массе): 20% Na2B4O7, 20% NaAlO2 и 60% Na2O2O). Содержание Na2O2O) определялось расчетным путем, при котором учитывалось количество Na2O за счет термической диссоциации буры (Na2B4O7) количества Na2O2O) за счет добавок Na2CO32CO3). Оптимальным температурным интервалом обработки является 950 – 1000 оС с продолжительностью 4 ч. Получаемые толщины слоев соответствовали 140 и 125 мкм на армко-железе и стали 45, соответственно. Микротвердость слоев находится в интервале 17000 – 10000 МПа.

Исследование жаростойкости и износостойкости показало, что бороалитированные слои несколько уступают по этим характеристикам чистым борированным (по износостойкости) и алитированным (по жаростойкости) слоям. Однако по сочетанию этих характеристик они успешно могут быть применены для упрочнения деталей нагревательного оборудования, так как значительно превосходят характеристики неупрочненных сталей. В частности, бороалитированные стали 45 по износостойкости превосходят в 6 раз, а по жаростойкости в 30 раз свойства стали 45 в закаленном состоянии на твердость 55НRC.

 

Список использованных источников

1.    Борисенок Г.В., Васильев Л.А., Ворошнин Л.Г., Горбунов Н.С., Дубинин Г.Н., Жунковский Г.Н., Крукович М.Г. и др. Химико-термическая обработка металлов и сплавов: Справочник. М.: Металлургия, 1981. 424 с.

2.    Минкевич А.Н. Химико-термическая обработка металлов и сплавов.  М.: Машиностроение, 1965. 491 с.

3.    Ворошнин Л.Г., Ляхович Л.С. Борирование стали. М.: Металлургия, 1978. 240 с.

4.    Крукович М.Г. Разработка теоретических и прикладных аспектов управления структурой и свойствами борированных слоев и их использование при производстве транспортной техники: Дисс….. докт. техн. наук:  Москва, 1995. 416 с.

5.    Крукович М.Г., Прусаков Б.А., Сизов И.Г. Пластичность борированных слоев. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2010. 384 с.