Борирование стали в домашних условиях

Термическая обработка (термообработка) стали, цветных металлов — процесс изменения структуры стали, цветных металлов, сплавов при нагревании и последующем охлаждении с определенной скоростью.
Термическая обработка (термообработка) приводит к существенным изменениям свойств стали, цветных металлов, сплавов. Химический состав металла не изменяется.

Виды термической обработки стали

Отжиг

Отжиг — термическая обработка (термообработка) металла, при которой производится нагревание металла, а затем медленное охлаждение. Эта термообработка (т. е. отжиг) бывает разных видов (вид отжига зависит от температуры нагрева, скорости охлаждения металла).

Закалка

Закалка — термическая обработка (термообработка) стали, сплавов, основанная на перекристаллизации стали (сплавов) при нагреве до температуры выше критической; после достаточной выдержки при критической температуре для завершения термической обработки следует быстрое охлаждение. Закаленная сталь (сплав) имеет неравновесную структуру, поэтому применим другой вид термообработки — отпуск.

Отпуск

Отпуск — термическая обработка (термообработка) стали, сплавов, проводимая после закалки для уменьшения или снятия остаточных напряжений в стали и сплавах, повышающая вязкость, уменьшающая твердость и хрупкость металла.

Нормализация

Нормализация — термическая обработка (термообработка), схожая с отжигом. Различия этих термообработок (нормализации и отжига) состоит в том, что при нормализации сталь охлаждается на воздухе (при отжиге — в печи).

Нагрев заготовки

Нагрев заготовки — ответственная операция. От правильности ее проведения зависят качество изделия, производительность труда. Необходимо знать, что в процессе нагрева металл меняет свою структуру, свойства и характеристику поверхностного слоя и в результате от взаимодействия металла с воздухом атмосферы, и на поверхности образуется окалина, толщина слоя окалины зависит от температуры и продолжительности нагрева, химического состава металла. Стали окисляются наиболее интенсивно при нагреве больше 900°С, при нагреве в 1000°С окисляемость увеличивается в 2 раза, а при 1200°С — в 5 раз.

Хромоникелевые стали называют жаростойкими потому, что они практически не окисляются.

Легированные стали образуют плотный, но не толстый слой окалины, который защищает металл от дальнейшего окисления и не растрескивается при ковке.

Углеродистые стали при нагреве теряют углерод с поверхностного слоя в 2-4 мм. Это грозит металлу уменьшением прочности, твердости стали и ухудшается закаливание. Особенно пагубно обезуглероживание для поковок небольших размеров с последующей закалкой.

Заготовки из углеродистой стали с сечением до 100 мм можно быстро нагревать и потому их кладут холодными, без предварительного прогрева, в печь, где температура 1300°С. Во избежание появлений трещин высоколегированные и высокоуглеродистые стали необходимо нагревать медленно.

При перегреве металл приобретает крупнозернистую структуру и его пластичность снижается. Поэтому необходимо обращаться к диаграмме «железо-углерод», где определены температуры для начала и конца ковки. Однако перегрев заготовки можно при необходимости исправить методом термической обработки, но на это требуется дополнительное время и энергия. Нагрев металла до еще большей температуры приводит к пережогу, от чего происходит нарушение связей между зернами и такой металл полностью разрушается при ковке.

Пережог

Пережог — неисправимый брак. При ковке изделий из низкоуглеродистых сталей требуется меньше число нагревов, чем при ковке подобного изделия из высокоуглеродистой или легированной стали.

При нагреве металла требуется следить за температурой нагрева, временем нагрева и температурой конца нагрева. При увеличении времени нагрева — слой окалины растет, а при интенсивном, быстром нагреве могут появиться трещины. Известно из опыта, что на древесном угле заготовка 10-20 мм в диаметре нагревается до ковочной температуры за 3-4 минуты, а заготовки диаметром 40-50 мм прогревают 15-25 минут, отслеживая цвет каления.

Химико-термическая обработка

Химико-термическая обработка (ХТО) стали — совокупность операций термической обработки с насыщением поверхности изделия различными элементами (углерод, азот, алюминий, кремний, хром и др.) при высоких температурах.

Поверхностное насыщение стали металлами (хром, алюминий, кремний и др.), образующими с железом твердые растворы замещения, более энергоемко и длительнее, чем насыщение азотом и углеродом, образующими с железом твердые растворы внедрения. При этом диффузия элементов легче протекает в решетке альфа-железо, чем в более плотноупакованной решетке гамма-железо.

Читайте также:  Какую мощность блендера выбрать

Химико-термическая обработка повышает твердость, износостойкость, кавитационную, коррозионную стойкость. Химико-термическая обработка, создавая на поверхности изделий благоприятные остаточные напряжения сжатия, увеличивает надежность, долговечность.

Цементация стали

Цементация стали — химико-термическая обработка поверхностным насыщением малоуглеродистой (С табл.1

Температура, °СЦвета каленияТемпература, °СЦвета каления1600Ослепительно бело-голубой850Светло-красный1400Ярко-белый800Светло-вишневый1200Желто-белый750Вишнево-красный1100Светло-белый600Средне-вишневый1000Лимонно-желтый550Темно-вишневый950Ярко-красный500Темно-красный900Красный400Очень темно-красный (видимый в темноте)

Тонкая пленка окислов железа, придающая металлу различные быстро меняющиеся цвета — от светло-желтого до серого. Такая пленка появляется, если очищенное от окалины стальное изделие нагреть до 220°С; при увеличении времени нагрева или повышении температуры окисная пленка утолщается и цвет ее изменяется. Цвета побежалости одинаково проявляются как на сырой, так и на закаленной стали.

При низком отпуске (нагрев до температуры 200-300° ) в структуре стали в основном остается мартенсит, который, однако, изменяется решетку. Кроме того, начинается выделение карбидов железа из твердого раствора углерода в альфа-железе и начальное скопление их небольшими группами. Это влечет за собой некоторое уменьшение твердости и увеличение пластических и вязких свойств стали, а также уменьшение внутренних напряжений в деталях.

Для низкого отпуска детали выдерживают в течение определенного времени обычно в масляных или соляных ваннах. Если для низкого отпуска детали нагревают на воздухе, то для контроля температуры часто пользуются цветами побежалости, появляющимися на поверхности детали.

табл.1

Цвет побежалостиТемпература, °СИнструмент, который следует отпускать
Бледно-желтый210
Светло-желтый220Токарные и строгальные резцы для обработки чугуна и стали
Желтый230Тоже
Темно-желтый240Чеканы для чеканки по литью
Коричневый255
Коричнево-красный265Плашки, сверла, резцы для обработки меди, латуни, бронзы
Фиолетовый285Зубила для обработки стали
Темно-синий300Чеканы для чеканки из листовой меди, латуни и серебра
Светло-синий325
Серый330

Появление этих цветов связано с интерференцией белого света в пленках окисла железа, возникающих на поверхности детали при ее нагреве. В интервале температур от 220 до 330 ° в зависимости от толщины пленки цвет изменяется от светло-желтого до серого. Низкий отпуск применяется для режущего, измерительного инструмента и зубчатых колес.

При среднем (нагрев в пределах 300-500°) и высоком (500-700°) отпуске сталь из состояния мартенсита переходит соответственно в состояние тростита или сорбита. Чем выше отпуск, тем меньше твердость отпущенной стали и тем больше ее пластичность и вязкость.

При высоком отпуске сталь получает наилучшее сочетание механических свойств, повышение прочности, пластичности и вязкости, поэтому высокий отпуск стали после закалки ее на мартенсит назначают для кузнечных штампов, пружин, рессор, а высокий — для многих деталей, подверженных действию высоких напряжений (например, осей автомобилей, шатунов двигателей).

Для некоторых марок стали отпуск производят после нормализации. Этот относится к мелкозернистой легированной доэвтектоидной стали (особенно никелевой), имеющий высокую вязкость и поэтому плохую обрабатываемость режущим инструментом.

Для улучшения обрабатываемости производят нормализацию стали при повышенной температуре (до 950-970°), в результате чего она приобретает крупную структуру (определяющую лучшую обрабатываемость) и одновременно повышенную твердость (ввиду малой критической скорости закалки никелевой стали). С целью уменьшения твердости производят высокий отпуск этой стали.

Дефекты закалки

К дефектам закалки относятся:

  • трещины,
  • поводки или коробление,
  • обезуглероживание.

Главная причина трещин и поводки — неравномерное изменение объема детали при нагреве и, особенно, при резком охлаждении. Другая причина — увеличение объема при закалке на мартенсит.

Трещины возникают потому, что напряжения при неравномерном изменении объема в отдельных местах детали превышают прочность металла в этих местах.

Лучшим способом уменьшения напряжений является медленное охлаждение около температуры мартенситного превращения. При конструировании деталей необходимо учитывать, что наличие острых углов и резких изменений сечения увеличивает внутреннее напряжение при закалке.

Коробление (или поводка)возникает также от напряжений в результате неравномерного охлаждения и проявляется в искривлениях деталей. Если эти искривления невелики, они могут быть исправлены, например, шлифованием. Трещины и коробление могут быть предотвращены предварительным отжигом деталей, равномерным и постепенным нагревом их, а также применением ступенчатой и изотермической закалки.

Читайте также:  Галогеновые лампочки в подвесной потолок

Обезуглероживание стали с поверхности — результат выгорания углерода при высоком и продолжительном нагреве детали в окислительной среде. Для предотвращения обезуглероживания детали нагревают в восстановительной или нейтральной среде (восстановительное пламя, муфельные печи, нагрев в жидких средах).

Образование окалины на поверхности изделия приводит к угару металла, деформации. Это уменьшает теплопроводность и, стало быть, понижает скорость нагрева изделия в печи, затрудняет механическую обработку. Удаляют окалину либо механическим способом, либо химическим (травлением).

Выгоревший с поверхности металла углерод делает изделия обезуглероженным с пониженными прочностными характеристиками, с затрудненной механической обработкой. Интенсивность, с которой происходит окисление и обезуглерожевание, зависит от температуры нагрева, т. е. чем больше нагрев, тем быстрее идут процессы.

Образование окалины при нагреве можно избежать, если под закалку применить пасту, состоящую из жидкого стекла — 100 г, огнеупорной глины — 75 г, графита — 25 г, буры — 14 г, карборунда — 30 г, воды — 100 г. Пасту наносят на изделие и дают ей высохнуть, затем нагревают изделие обычным способом. После закалки его промывают в горячем содовом растворе. Для предупреждения образования окалины на инструментах быстрорежущей стали применяют покрытие бурой. Для этого нагретый до 850°С инструмент погружают в насыщенный водный раствор или порошок буры

Антикоррозионная обработка изделий после термической обработки

После термической обработки, связанной с применением солей, щелочей, воды и прочих веществ, могущих вызывать при длительном хранении изделий коррозию, следует провести антикоррозионную обработку стальных изделий, заключающуюся в том, что очищенные, промытые и высушенные изделия погружают на 5 минут в 20 — 30% водный раствор нитрита натрия, после чего заворачивают в пропитанную этим же раствором бумагу.
В таком виде изделия могут храниться длительное время

Борирование стали проводят для повышения ее поверхностной твердости ( до 1800-2000 HV), соответственно износостойкости, повышения коррозионной стойкости, окалиностойкости (до 800°С) и теплостойкости. Процесс заключается в диффузионном насыщении поверхностного слоя стали бором при нагревании в определенной среде. В зависимости от способа борирования можно получить как однослойную, так и двухслойную поверхность стали. После борирования, микроструктура стали выглядит как показано на рисунке.Борирование стали в домашних условиях

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.

Электролизное борирование

Такое борирование чаще проводят при электролизе расплавленной буры (Na2B4O7). Процесс проводят в ваннах при температуре 930-950°С, время выдержки 2-6 часов. Борируемые изделия служат в качестве катодов, которые монтируются на подвески.

Жидкостное борирование

Жидкостное борирование основано на диффузионном безэлектролизном насыщении поверхности стали бором. Его, также как и электролизное борирование, проводят в печах-ваннах. В качестве насыщающих сред используют расплавленные хлористые соли (NaCl, BCl2) с добавками ферроброма или карбида бора. Также применяют расплавы других щелочных металлов, например Na2B47. В данном случае, к расплаву дополнительно добавляют электрохимические восстановители: химически активные элементы (Al, Si, Ti, Са, Мn, В и др.) или ферросплавы, лигатуры и химические соединения на их основе. Для получения двухфазных (FeB + Fe2B) слоев можно использовать расплав, состоящий из 60-70 % Na2B47 и 40-30 % В4С. Для получения однофазных (Fe2B) слоев можно использовать расплав, состоящий из 70 % Na2B47 и 30 % SiC

Другие технологические способы борирования

Часто, с целью местного борирования, применяю борирование пастами. Такой способ целесообразен для химико-термической обработки крупногабаритных изделий. Также стоит отметить способ борирования в ящиках при помощи порошков-наполнителей. При таком способе используют порошки аморфного и кристаллического бора, карбида бора, ферробора и т.д. Процесс проводят при температуре 900-1000°С в течение 2-6 часов. При этом получается слой толщиной 0,08-0,15 мм.

Читайте также:  Как ставить анкерный болт видео

В качестве преимущества борирования перед другими способами химико-термической обработки стоит отметить более высокую поверхностную твердость 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.

Борирование стали в домашних условиях

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.

Борирование стали в домашних условиях

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.

Борирование стали в домашних условиях

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.

Борирование стали в домашних условиях

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.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.