معالجة الفولاذ بالبورون – تشبع السطح بالبورون، طبقة FeB وFe₂B عن طريق الانتشار

حفرويسمى أيضًا عملية البورونة، هي عملية المعالجة الكيميائية الحرارية ويتمثل ذلك في تشبع الطبقة السطحية للمادة بالانتشار البورون بالهدف من هذه العملية هو إنشاء طبقة بوريد صلبة للغاية، مما يوفر في المقام الأول مقاومة عالية للتآكل الكاشط والالتصاقي والتآكل الناتج عن الاحتكاك، بالإضافة إلى زيادة مقاومة السطح لبعض البيئات الكيميائية.
في حالة الحديد والصلب، أثناء عملية الحفر، تكون المكونات الرئيسية التي تتشكل هي بوريدات الحديد Fe₂B و FeBتتميز هذه المنتجات بارتفاعها الشديد صلابة، متجاوزة بشكل كبير صلابة الهياكل النموذجية التي تم الحصول عليها نتيجة للطرق الكلاسيكية التصلب.
تُستخدم عملية الحفر بشكل أساسي للمكونات التي تعمل في ظروف الاحتكاك الشديد والتآكل والتلامس مع المواد الكاشطة، بما في ذلك أجزاء من آلات التعدين والزراعة ومعالجة البلاستيك والمضخات والصمامات والأدوات والمكونات التي تنقل المواد السائبة.

ما هو الحفر؟

أثناء عملية الحفر، يتعرض سطح المادة التي تتم معالجتها لبيئة تحتوي على مواد نشطة البورون ب.
عند درجة حرارة عالية بما فيه الكفاية، يتم امتصاص ذرات البورون على السطح ثم تنتشر داخل المادة.
يتمتع البورون بألفة عالية لـ حديدعند الوصول إلى التركيز المناسب، تتشكل بوريدات الحديد المميزة:

• Fe₂B,
• فبراير.

اعتمادًا على التركيب الكيميائي للصلب ودرجة الحرارة ووقت المعالجة ونشاط البورون، قد تتشكل طبقة أحادية الطور من Fe₂B أو طبقة ثنائية الطور من FeB + Fe₂B.
من وجهة نظر تكنولوجية، غالباً ما يكون من الأفضل الحصول أولاً وقبل كل شيء على طبقة Fe₂B أحادية الطورلأن الطبقة الخارجية من FeB أكثر هشاشة.

آلية حفر فولاذية

يمكن تبسيط عملية إنشاء طبقة البورون إلى عدة مراحل:

1. تنشيط السطح وتوفير البورون النشط،
2. امتزاز ذرات البورون على سطح المادة،
3. انتشار البورون في أعماق الفولاذ،
4. تفاعل البورون مع الحديد وتكوين البوريدات،
5. نمو طبقة Fe₂B,
6. مع نشاط بورون مرتفع بما فيه الكفاية – تكوين الطبقة الخارجية من FeB.

يُعدّ نمو الطبقات عملية انتشار، ولذلك فهو يعتمد بشكل كبير على درجة الحرارة والوقت. فزيادة درجة الحرارة تزيد من معدل انتشار البورون، وزيادة وقت العملية تؤدي عمومًا إلى زيادة سُمك الطبقة.

بناء الطبقة المعالجة بالبورون

الطبقة التي يتم الحصول عليها أثناء الحفر تختلف عن الطبقة النموذجية التي يتم الحصول عليها أثناء الكربنة أو النترجة.
الأمر لا يقتصر على محلول البورون في المادة الأساسية. تتشكل أطوار بوريد منفصلة وصلبة للغاية على السطح.

طبقة Fe₂B

Fe₂B تُعد هذه المرحلة مرغوبة بشكل خاص في العديد من تطبيقات معالجة الفولاذ بالبورون.
يتميز بما يلي:

• مرتفع جداً صلابة,
• مقاومة عالية للتآكل,
• التصاق جيد بالركيزة عند تنفيذ العملية بشكل صحيح،
• أقل هشاشة من طور FeB.

من السمات المميزة لطبقة Fe₂B الموجودة على العديد من أنواع الفولاذ ما يلي: حافة مسننة أو إبرية أو مسننة مع الأرضينتج هذا الشكل المورفولوجي عن نمو طوري اتجاهي أثناء انتشار البورون.
قد يعزز ذلك التثبيت الميكانيكي للطبقة في مادة الركيزة.

طبقة FeB

إذا كان احتمال التبورن في البيئة مرتفعًا أو إذا تمت العملية في ظل ظروف تُفضّل زيادة إثراء السطح بالبورون، فقد تتشكل مرحلة على الجزء الخارجي من طبقة Fe₂B فبراير.
يتميز FeB بصلابة عالية جدًا، ولكنه في الوقت نفسه أكثر هشاشة.
قد يكون وجود ترتيب مميز غير مواتٍ بشكل خاص:

تختلف خصائص طوري FeB وFe₂B الفيزيائية، بما في ذلك معاملات التمدد الحراري المختلفة. وقد يؤدي ذلك إلى إجهادات عند حدود الطور أثناء التبريد أو الاستخدام اللاحق.
لهذا السبب، تُبذل الجهود في العديد من التطبيقات التكنولوجية للحد من تكوين FeB والحصول على طبقة Fe₂B أحادية الطور.

صلابة الطبقة المعالجة بالبورون

من أهم خصائص طبقات البوريك ارتفاعها الشديد صلابة.
اعتمادًا على المرحلة والمادة وظروف العملية، قد تكون قيم الصلابة الدقيقة لطبقات البوريد تقريبًا في نطاق تقريبي. 1200–2000 الجهد العاليوفي بعض الأنظمة أيضاً خارج هذا النطاق.

مع ذلك، لا ينبغي أن تكون الصلابة العالية المعيار الوحيد لتقييم جودة عملية البورنة. فسمك الطبقة، وتجانسها، وهشاشتها، والتصاقها بالركيزة، ووجود طور FeB، كلها عوامل مهمة أيضاً.

درجة حرارة الحفر

تُجرى عملية حفر الفولاذ عادةً عند درجة حرارة عالية نسبيًا، غالبًا في نطاق يقارب 800-1050 ° C.
تعتمد المعايير الدقيقة على:

• نوع المادة،
• أساليب الحفر،
• سمك الطبقة المطلوب،
• هندسة العناصر،
• تكوين بيئة الحفر،
• البنية الطورية المطلوبة للطبقة.

تؤدي درجة الحرارة المرتفعة إلى زيادة معدل انتشار البورون وتسمح بنمو الطبقات بشكل أسرع، ولكنها قد تؤثر أيضًا على بنية اللب وحجم الحبيبات والإجهادات والانفعالات للمكون.

تأثير الزمن على سمك الطبقة المعالجة بالبورون

بما أن عملية البورنة هي عملية انتشار، فإن سمك الطبقة يزداد مع وقت العملية.
لكن هذه ليست علاقة خطية. ففي العمليات التي يتحكم فيها الانتشار، يكون نمو الطبقة عادةً قريباً من شكل القطع المكافئ.
ببساطة، يمكن كتابة العلاقة على النحو التالي:

حيث:

• x – سمك الطبقة،
• k – معامل يعتمد على عدة عوامل، من بينها درجة الحرارة والمادة،
• t – فترة تجريبية.

وهذا يعني أن مضاعفة الوقت لا تؤدي تلقائياً إلى مضاعفة سمك الطبقة.

سُمك الطبقة المعالجة بالبورون

اعتمادًا على التقنية والتطبيق، قد يتراوح سمك طبقة البوريد من عدة عشرات إلى عدة مئات من الميكرومترات.
بالنسبة للمكونات المعرضة للتآكل الشديد، قد تكون هناك حاجة إلى سمك أكبر، بينما بالنسبة للأجزاء المعرضة لأحمال ديناميكية، قد تكون الطبقة السميكة والهشة بشكل مفرط غير مواتية.
وبالتالي، يعتمد سمك الطبقة الأمثل على ظروف التشغيل الفعلية للعنصر.

أساليب الحفر

يمكن إجراء عملية الحفر باستخدام عدة طرق تختلف في طريقة توصيل البورون إلى السطح.

البورون البودرة

البورون البودرة تُعد إحدى أكثر الطرق الصناعية شهرة.
يُوضع العنصر في خليط مسحوق مناسب يحتوي على مصدر للبورون. وعند تسخينه إلى درجة حرارة العملية، تتشكل مكونات فعالة، مما يسمح بنقل البورون إلى السطح.
تُعد هذه الطريقة بسيطة نسبياً من الناحية التقنية ويمكن استخدامها لعناصر ذات أحجام وأشكال مختلفة.
تشمل القيود وقت المعالجة الطويل نسبياً، والحاجة إلى إزالة الخليط المتبقي، وصعوبة التحكم في نمو الطبقة المحلية مقارنة ببعض الطرق الأكثر تقدماً.

لصق الحفر

W حفر المعجون يتم وضع مستحضر يحتوي على مركبات البورون على سطح العنصر.
قد تكون هذه الطريقة مفيدة في الحالات التالية:

• عناصر كبيرة الحجم،
• حفر أسطح مختارة،
• أجزاء ذات هندسة معقدة،
• معالجة سطحية موضعية.

بعد وضع المعجون، يتم تعريض العنصر لدورة حرارية مناسبة للسماح بانتشار البورون.

الحفر بالبلازما

الحفر بالبلازما يستخدم بيئة بلازما نشطة لدعم نقل البورون إلى السطح.
تتيح هذه التقنية تحكمًا أكثر دقة في العمليات وقد تقلل من بعض العيوب النموذجية للطرق التقليدية.
تشمل مزايا عمليات البلازما القدرة على التحكم في معايير السطح، لكنها تتطلب معدات تكنولوجية أكثر تعقيدًا.

تأثير عناصر السبائك على عملية البورنة

يؤثر التركيب الكيميائي للفولاذ بشكل كبير على حركية النمو، وشكل وخصائص الطبقة المعالجة بالبورون.

في سبائك الصلب، قد تحتوي الطبقة بالتالي ليس فقط على بوريدات الحديد، ولكن أيضًا على بوريدات أو أطوار معقدة مرتبطة بوجود عناصر السبائك.

ما هي أنواع الفولاذ التي يمكن حفرها؟

يمكن حفر مجموعة واسعة من المواد الحديدية، بما في ذلك:

• الفولاذ منخفض الكربون،
• الفولاذ متوسط ​​الكربون،
• الفولاذ الإنشائي السبائكي،
• الفولاذ لتحسين العزل الحراري,
• أنواع مختارة من فولاذ الأدوات،
• الفولاذ المقاوم للتآكل إذا تم اختيار التقنية بشكل صحيح،
• الحديد الزهر.

ومع ذلك، فإن التركيب الكيميائي للمادة يؤثر على معدل نمو الطبقة وشكلها وتركيبها الطوري، لذلك لا ينبغي نقل المعايير التي تم تطويرها لنوع واحد من الفولاذ تلقائيًا إلى نوع آخر.

الحفر والكربنة

إن عملية البورنة والكربنة هما عمليتان لتشبع سطح الانتشار، لكنهما تؤديان إلى هياكل مختلفة بشكل أساسي.

الحفر والنتردة

يمكن أيضًا مقارنة عملية البورنة بعملية النترجة.

البورنة والنيتروكربنة / النيتروكربنة

ينتج عن عملية الكربنة النيتروجينية طبقة رقيقة نسبياً من مركبات النيتروجين والكربون ومنطقة انتشار. أما عملية البورونة، فتنتج أطوار بوريدية شديدة الصلابة.
يمكن أن يوفر الحفر صلابة أكبر ومقاومة للتآكل الشديد، ولكنه يتم إجراؤه في درجة حرارة أعلى وقد ينطوي على مخاطر أكبر للكسر والتغيرات في الأبعاد.
لذلك ينبغي أن يستند اختيار العملية إلى ظروف التشغيل الفعلية وليس فقط على أقصى صلابة ممكنة للسطح.

تأثير عملية البورون على مقاومة التآكل

أهم سبب لاستخدام الحفر هو مقاومة عالية جدًا للتآكل الكاشط.
تحد البوريدات الصلبة من إزالة المواد عن طريق:

• جزيئات معدنية صلبة،
• رمل وغبار،
• المواد السائبة،
• الجسيمات الموجودة في الوسائط المنقولة،
• التلامس الانزلاقي في ظل ظروف احتكاكية محددة.

لذلك، فإن عملية البورنة مثيرة للاهتمام بشكل خاص في التطبيقات التي يتآكل فيها الفولاذ المقوى تقليديًا أو الطبقة التي تلي المعالجات السطحية الأخرى بسرعة كبيرة.

مقاومة التآكل للطبقات المعالجة بالبورون

يمكن لطبقات البوريد أن تحسن مقاومة المادة لبعض البيئات الكيميائية والتآكلية.
لكن هذا لا يعني أن الحفر يوفر بالضرورة نتائج عالمية مقاومة التآكل.
يعتمد السلوك على:

• نوع البيئة،
• درجة حرارة،
• التركيب الطوري للطبقة،
• مسامية الطبقة واستمراريتها،
• نوع مادة الركيزة.

لذا ينبغي تقييم مقاومة التآكل لبيئة تشغيل محددة.

هشاشة الطبقة المعالجة بالبورون

عالية جدًا صلابة ترتبط البوريدات بقدرة محدودة على التشوه اللدن.
قد تكون الطبقة عرضة للتشقق عندما:

• أحمال الصدمات القوية،
• تشوهات كبيرة في الركيزة،
• ضغوط تلامس عالية،
• سُمك الطبقة المُختار بشكل غير صحيح،
• وجود طبقة سميكة للغاية من FeB.

لذلك، ينبغي أن يوفر لب العنصر دعماً كافياً للطبقة السطحية الصلبة للغاية.

المعالجة الحرارية بعد الحفر

اعتمادًا على نوع الفولاذ والتقنية المستخدمة، قد يتم دمج عملية الحفر مع عمليات أخرى. المعالجة الحرارية.
بما أن درجة حرارة البورنة يمكن أن تكون في نطاق مشابه لدرجات الحرارة المستخدمة أثناء عملية الأوستنة للعديد من أنواع الفولاذ، فإنه يمكن تصميم الدورة التكنولوجية بحيث يتم تشكيل خصائص اللب بشكل مناسب بعد عملية البورنة.
ومع ذلك، يتطلب هذا اختيارًا فرديًا للمعايير لنوع معين من المواد.

مراقبة جودة الطبقة المعالجة بالبورون

قد يشمل تقييم الطبقة بعد الحفر ما يلي:

• قياس سمك الطبقة،
• الفحص المعدني،
• تحديد طوري FeB و Fe₂B،
• قياس الصلابة المجهرية,
• تقييم مورفولوجيا حدود الطبقة والركيزة،
• فحص الشقوق والانقطاعات،
• اختبارات مقاومة التآكل،
• اختبار مقاومة التآكل، إذا كان ذلك ذا صلة بالتطبيق.

لا يكفي قياس الصلابة وحده لتقييم جودة الطبقة بشكل كامل. فقد تكون الطبقة ذات الصلابة العالية جدًا ولكنها هشة للغاية أو ذات بنية ثنائية الطور غير مواتية أقل أداءً من طبقة Fe₂B المصممة بشكل صحيح.

تطبيق الحفر

تُستخدم عملية الحفر بشكل خاص للمكونات المعرضة للتآكل الشديد.
تشمل التطبيقات النموذجية ما يلي:

• براغي وأسطوانات معدات معالجة البلاستيك،
• مكونات المضخة،
• الصمامات ومقاعد الصمامات،
• البطانات والدبابيس،
• المرشدين،
• مكونات الآلات الزراعية،
• أجزاء من آلات التعدين،
• عناصر الأجهزة التي تنقل المواد السائبة،
• أدوات معالجة البلاستيك،
• قوالب وأدوات تشكيل،
• الأجزاء المعرضة للتآكل والاهتراء.

مزايا الحفر

• صلابة سطحية عالية جداً،
• مقاومة عالية جداً للتآكل،
• مقاومة عالية للتآكل الكاشط،
• إمكانية زيادة متانة الأجزاء التي تعمل في ظروف احتكاكية صعبة،
• استقرار أطوار البوريد الصلبة عند درجات حرارة مرتفعة ضمن النطاق المناسب لمادة معينة،
• يمكن استخدامه مع أنواع عديدة من الفولاذ والحديد الزهر.

قيود الحفر

• درجة حرارة المعالجة العالية نسبياً،
• خطر تشوه العنصر،
• هشاشة طبقة البورون،
• قد تكون طبقة FeB السميكة للغاية غير مواتية بشكل خاص،
• ملاءمة محدودة لأحمال الصدمات القوية،
• الحاجة إلى تحضير السطح بشكل مناسب،
• صعوبة المعالجة الميكانيكية للسطح بعد الحفر بسبب صلابته العالية جداً.

ممل - مقارنة مع عمليات المعالجة الكيميائية الحرارية الأخرى

عملية البورنة هي عملية معالجة كيميائية حرارية تتضمن تشبع سطح المادة بالبورون عن طريق الانتشار. أما في حالة الفولاذ، فإنه يؤدي بشكل رئيسي إلى تكوين بوريدات الحديد الصلبة للغاية. Fe₂B و FeB.
الطبقة الأكثر ملاءمة في العديد من التطبيقات هي طبقة أحادية الطور. Fe₂B، مما يوفر مقاومة عالية جدًا للتآكل مع هشاشة أقل من طبقة تحتوي على كمية كبيرة من FeB.
تتمثل أهم ميزة للحفر في إمكانية الحصول على صلابة عالية للغاية ومقاومة للتآكل الكاشطلذلك تُستخدم هذه العملية في أجزاء الآلات التي تعمل في ظروف احتكاك شديدة بشكل خاص.
في الوقت نفسه، ترتبط الصلابة العالية للبوريدات بمحدودية مرونتها. لذلك، يتطلب تصميم الطبقة الأمثل التحكم في سمكها، وتركيبها الطوري، وخصائص الركيزة.
لا ينبغي مساواة عملية الحفر بـ الكربنة, النتردة أو عملية النيتروكربنة. تستخدم كل من هذه العمليات آلية مختلفة لتشكيل الطبقة السطحية وتحقق خصائص وظيفية مختلفة.

طرق المعالجة الحرارية والكيميائية الحرارية للصلب

تُعدّ عملية البورنة إحدى العمليات المستخدمة لتعديل البنية المجهرية وخواص الفولاذ. وبحسب التأثير المطلوب، تُستخدم أيضاً عمليات أخرى مثل التطبيع، وتخفيف الإجهاد، والتصليد، والتطبيع الحراري، بالإضافة إلى العمليات الكيميائية الحرارية كالكربنة والنتردة وغيرها.

طرق المعالجة الحرارية للصلب

• فولاذ التطبيع – تحسين الحبيبات وتوحيد البنية المجهرية.
• تخفيف التوتر عن طريق التلدين – تقليل الإجهادات المتبقية.
• تليين الفولاذ – تقليل الصلابة وتحسين قابلية المعالجة اللاحقة.
• التلدين الكامل – الأوستنة والتبريد البطيء.
• التلدين متساوي الحرارة – عملية تحويل تتم مع الحفاظ على درجة حرارة مختارة بشكل صحيح.
• التلدين الكروي – التكوير – تغيير في شكل السمنتيت أو الكربيدات الأخرى.
• إعادة التبلور بالتلدين – إزالة آثار السحق واستعادة اللدونة.
• التلدين المتجانس – تقليل الفصل بين المواد وتجانس تركيبها.
• التصليد والمعالجة الحرارية – تشكيل البنية المجهرية والخواص عن طريق التصليد والتطبيع.
• فولاذ التصليد – تعديل خصائص الفولاذ بشكل متحكم به بعد التصليد.
• التصلب بالحث - التسخين بالحث السطحي والتبريد السريع.
• التصلب بالنار – تصلب السطح بعد التسخين الموضعي باللهب.
• التشبع الزائد – الحصول على محلول صلب فوق مشبع عن طريق دورة حرارية مناسبة.
• شيخوخة – فصل طوري مُتحكم به يؤدي إلى تقوية المادة.

طرق المعالجة الحرارية الكيميائية للصلب

• نترجة الفولاذ – الإثراء الانتشارى للطبقة السطحية بالنيتروجين.
• فولاذ الكربنة – الإثراء الانتشارى للأسطح بالكربون.
• الكربنة النيتروجينية – إثراء الطبقة السطحية بالكربون والنيتروجين في آن واحد.
• عملية النيتروكربنة / النيتروكربنة – إثراء الطبقة بشكل أساسي بالنيتروجين والكربون.
• حفر – تشبع السطح بالبورون عن طريق الانتشار.
• طلاء الكروم بالانتشار – إثراء الطبقة بالكروم عن طريق الانتشار.
• التألومنيوم بالانتشار – إثراء الطبقة بالانتشار في الألومنيوم.