Borowanie stali – dyfuzyjne nasycanie powierzchni borem, warstwa FeB i Fe₂B

Borowanie, nazywane również boronowaniem, jest procesem obróbki cieplno-chemicznej polegającym na dyfuzyjnym nasycaniu warstwy powierzchniowej materiału borem B. Celem procesu jest wytworzenie bardzo twardej warstwy borków, zapewniającej przede wszystkim wysoką odporność na zużycie ścierne, adhezyjne i erozyjne oraz zwiększoną odporność powierzchni na działanie niektórych środowisk chemicznych.
W przypadku żelaza i stali podczas borowania powstają przede wszystkim borki żelaza Fe₂B i FeB. Charakteryzują się one bardzo wysoką twardością, znacznie przewyższającą twardość typowych struktur uzyskiwanych w wyniku klasycznego hartowania.
Borowanie stosuje się przede wszystkim do elementów pracujących w warunkach intensywnego tarcia, ścierania i kontaktu z materiałami abrazyjnymi, między innymi części maszyn górniczych, rolniczych, przetwórstwa tworzyw sztucznych, pomp, zaworów, narzędzi i elementów transportujących materiały sypkie.

Na czym polega borowanie?

Podczas borowania powierzchnia obrabianego materiału znajduje się w środowisku zawierającym aktywny bor B.
W odpowiednio wysokiej temperaturze atomy boru są adsorbowane na powierzchni, a następnie dyfundują w głąb materiału.
Bor wykazuje duże powinowactwo do żelaza. Po osiągnięciu odpowiedniego stężenia powstają charakterystyczne borki żelaza:

• Fe₂B,
• FeB.

W zależności od składu chemicznego stali, temperatury, czasu procesu i aktywności boru może powstać warstwa jednofazowa Fe₂B albo dwufazowa FeB + Fe₂B.
Z technologicznego punktu widzenia często korzystniejsze jest uzyskanie przede wszystkim jednofazowej warstwy Fe₂B, ponieważ zewnętrzna warstwa FeB charakteryzuje się większą kruchością.

Mechanizm borowania stali

Proces powstawania warstwy borowanej można w uproszczeniu podzielić na kilka etapów:

1. aktywacja powierzchni i dostarczenie aktywnego boru,
2. adsorpcja atomów boru na powierzchni materiału,
3. dyfuzja boru w głąb stali,
4. reakcja boru z żelazem i powstawanie borków,
5. wzrost warstwy Fe₂B,
6. przy odpowiednio wysokiej aktywności boru – powstawanie zewnętrznej warstwy FeB.

Wzrost warstwy jest procesem dyfuzyjnym, dlatego silnie zależy od temperatury i czasu. Wraz ze wzrostem temperatury zwiększa się szybkość dyfuzji boru, a wydłużenie czasu procesu prowadzi zasadniczo do zwiększenia grubości warstwy.

Budowa warstwy borowanej

Warstwa uzyskana podczas borowania różni się od typowej warstwy uzyskiwanej podczas nawęglania lub azotowania.
Nie jest to wyłącznie roztwór boru w osnowie. Na powierzchni tworzą się odrębne, bardzo twarde fazy borkowe.

Warstwa Fe₂B

Fe₂B jest fazą szczególnie pożądaną w wielu zastosowaniach borowania stali.
Charakteryzuje się:

• bardzo wysoką twardością,
• wysoką odpornością na ścieranie,
• dobrym związaniem z podłożem przy prawidłowo przeprowadzonym procesie,
• mniejszą kruchością niż faza FeB.

Charakterystyczną cechą warstwy Fe₂B na wielu stalach jest jej zębata, iglasta lub piłokształtna granica z podłożem. Taka morfologia wynika z kierunkowego wzrostu fazy podczas dyfuzji boru.
Może ona sprzyjać mechanicznemu zakotwiczeniu warstwy w materiale podłoża.

Warstwa FeB

Jeżeli potencjał borujący środowiska jest wysoki lub proces prowadzony jest w warunkach sprzyjających dalszemu wzbogacaniu powierzchni w bor, na zewnętrznej części warstwy Fe₂B może powstać faza FeB.
FeB charakteryzuje się bardzo wysoką twardością, lecz jednocześnie jest bardziej krucha.
Szczególnie niekorzystna może być obecność wyraźnego układu:

Fazy FeB i Fe₂B mają odmienne właściwości fizyczne, w tym różne współczynniki rozszerzalności cieplnej. Podczas chłodzenia lub późniejszej eksploatacji może to powodować powstawanie naprężeń na granicy faz.
Z tego powodu w wielu zastosowaniach technologicznych dąży się do ograniczenia powstawania FeB i uzyskania jednofazowej warstwy Fe₂B.

Twardość warstwy borowanej

Jedną z najważniejszych cech warstw borkowych jest ich bardzo wysoka twardość.
W zależności od fazy, materiału i warunków procesu wartości mikrotwardości warstw borkowych mogą znajdować się orientacyjnie w zakresie około 1200–2000 HV, a w określonych układach również poza tym zakresem.

Wysoka twardość nie powinna być jednak jedynym kryterium oceny jakości borowania. Istotne są również grubość warstwy, jej jednorodność, kruchość, przyczepność do podłoża oraz obecność fazy FeB.

Temperatura borowania

Borowanie stali prowadzi się zazwyczaj w stosunkowo wysokiej temperaturze, często w zakresie około 800–1050°C.
Dokładne parametry zależą od:

• gatunku materiału,
• metody borowania,
• wymaganej grubości warstwy,
• geometrii elementu,
• składu środowiska borującego,
• wymaganej struktury fazowej warstwy.

Wyższa temperatura zwiększa szybkość dyfuzji boru i umożliwia szybszy wzrost warstwy, ale może jednocześnie wpływać na strukturę rdzenia, wielkość ziarna, naprężenia i odkształcenia elementu.

Wpływ czasu na grubość warstwy borowanej

Ponieważ borowanie jest procesem dyfuzyjnym, grubość warstwy zwiększa się wraz z czasem procesu.
Nie jest to jednak zależność liniowa. W procesach kontrolowanych dyfuzją wzrost warstwy ma zwykle charakter zbliżony do parabolicznego.
W uproszczeniu zależność można zapisać:

gdzie:

• x – grubość warstwy,
• k – współczynnik zależny między innymi od temperatury i materiału,
• t – czas procesu.

Oznacza to, że dwukrotne wydłużenie czasu nie powoduje automatycznie dwukrotnego zwiększenia grubości warstwy.

Grubość warstwy borowanej

W zależności od technologii i zastosowania warstwa borkowa może mieć grubość od kilkudziesięciu do kilkuset mikrometrów.
Dla elementów narażonych na intensywne ścieranie może być wymagana większa grubość, natomiast w przypadku części narażonych na obciążenia dynamiczne nadmiernie gruba i krucha warstwa może być niekorzystna.
Optymalna grubość warstwy zależy więc od rzeczywistych warunków pracy elementu.

Metody borowania

Borowanie może być prowadzone kilkoma metodami różniącymi się sposobem dostarczania boru do powierzchni.

Borowanie proszkowe

Borowanie proszkowe należy do najbardziej znanych metod przemysłowych.
Element umieszcza się w odpowiedniej mieszaninie proszkowej zawierającej źródło boru. Po nagrzaniu do temperatury procesu powstają aktywne składniki umożliwiające transport boru do powierzchni.
Metoda jest stosunkowo prosta technologicznie i może być wykorzystywana do elementów o różnych wymiarach i kształtach.
Do ograniczeń należą między innymi stosunkowo długi czas procesu, konieczność usuwania pozostałości mieszaniny oraz trudniejsza kontrola lokalnego wzrostu warstwy niż w niektórych bardziej zaawansowanych metodach.

Borowanie pastowe

W borowaniu pastowym preparat zawierający związki boru nakłada się na powierzchnię elementu.
Metoda może być przydatna w przypadku:

• elementów o dużych wymiarach,
• borowania wybranych powierzchni,
• części o złożonej geometrii,
• lokalnej obróbki powierzchniowej.

Po naniesieniu pasty element poddaje się odpowiedniemu cyklowi cieplnemu umożliwiającemu dyfuzję boru.

Borowanie plazmowe

Borowanie plazmowe wykorzystuje aktywne środowisko plazmy do wspomagania transportu boru do powierzchni.
Technologia umożliwia dokładniejsze sterowanie procesem oraz może pozwalać na ograniczenie części wad charakterystycznych dla tradycyjnych metod.
Do zalet procesów plazmowych należy możliwość kontrolowania parametrów powierzchni, jednak wymagają one bardziej złożonego wyposażenia technologicznego.

Wpływ pierwiastków stopowych na borowanie

Skład chemiczny stali ma istotny wpływ na kinetykę wzrostu, morfologię i właściwości warstwy borowanej.

W stalach stopowych warstwa może więc zawierać nie tylko borki żelaza, ale również borki lub złożone fazy związane z obecnością pierwiastków stopowych.

Jakie stale można borować?

Borowaniu można poddawać szeroką grupę materiałów żelaznych, między innymi:

• stale niskowęglowe,
• stale średniowęglowe,
• stale konstrukcyjne stopowe,
• stale do ulepszania cieplnego,
• wybrane stale narzędziowe,
• stale odporne na korozję, jeżeli technologia jest właściwie dobrana,
• żeliwa.

Skład chemiczny materiału wpływa jednak na szybkość wzrostu warstwy, jej kształt oraz skład fazowy, dlatego parametrów opracowanych dla jednej stali nie należy automatycznie przenosić na inny gatunek.

Borowanie a nawęglanie

Borowanie i nawęglanie są procesami dyfuzyjnego nasycania powierzchni, lecz prowadzą do zasadniczo różnych struktur.

Borowanie a azotowanie

Borowanie można również porównać z azotowaniem.

Borowanie a azotonawęglanie / nitrokarburacja

Azotonawęglanie prowadzi do powstania stosunkowo cienkiej warstwy związków azotu i węgla oraz strefy dyfuzyjnej. Borowanie prowadzi natomiast do powstawania bardzo twardych faz borkowych.
Borowanie może zapewnić większą twardość i odporność na intensywne ścieranie, lecz odbywa się w wyższej temperaturze i może wiązać się z większym ryzykiem kruchości i zmian wymiarowych.
Dobór procesu powinien więc wynikać z rzeczywistych warunków eksploatacji, a nie wyłącznie z maksymalnej możliwej twardości powierzchni.

Wpływ borowania na odporność na zużycie

Najważniejszym powodem stosowania borowania jest bardzo wysoka odporność na zużycie ścierne.
Twarde borki ograniczają usuwanie materiału przez:

• twarde cząstki mineralne,
• piasek i pyły,
• materiały sypkie,
• cząstki znajdujące się w transportowanych mediach,
• kontakt ślizgowy w określonych warunkach tribologicznych.

Dlatego borowanie jest szczególnie interesujące w zastosowaniach, w których klasycznie zahartowana stal lub warstwa po innych procesach powierzchniowych zużywa się zbyt szybko.

Odporność korozyjna warstw borowanych

Warstwy borkowe mogą poprawiać odporność materiału na działanie niektórych środowisk chemicznych i korozyjnych.
Nie oznacza to jednak, że borowanie automatycznie zapewnia uniwersalną odporność na korozję.
Zachowanie zależy od:

• rodzaju środowiska,
• temperatury,
• składu fazowego warstwy,
• porowatości i ciągłości warstwy,
• gatunku materiału podłoża.

Odporność korozyjna powinna być więc oceniana dla konkretnego środowiska pracy.

Kruchość warstwy borowanej

Bardzo wysoka twardość borków wiąże się z ograniczoną zdolnością do odkształcenia plastycznego.
Warstwa może być podatna na pękanie przy:

• silnych obciążeniach udarowych,
• znacznych odkształceniach podłoża,
• dużych naprężeniach kontaktowych,
• nieprawidłowo dobranej grubości warstwy,
• obecności nadmiernie grubej warstwy FeB.

Z tego względu rdzeń elementu powinien zapewniać odpowiednie podparcie dla bardzo twardej warstwy powierzchniowej.

Obróbka cieplna po borowaniu

W zależności od gatunku stali i przyjętej technologii borowanie może być łączone z dalszą obróbką cieplną.
Ponieważ temperatura borowania może znajdować się w zakresie zbliżonym do temperatur stosowanych podczas austenityzowania wielu stali, cykl technologiczny może zostać zaprojektowany tak, aby po borowaniu odpowiednio kształtować również właściwości rdzenia.
Wymaga to jednak indywidualnego doboru parametrów dla konkretnego gatunku materiału.

Kontrola jakości warstwy borowanej

Ocena warstwy po borowaniu może obejmować:

• pomiar grubości warstwy,
• badania metalograficzne,
• identyfikację faz FeB i Fe₂B,
• pomiar mikrotwardości,
• ocenę morfologii granicy warstwa–podłoże,
• kontrolę pęknięć i nieciągłości,
• badania odporności na zużycie,
• badania odporności korozyjnej, jeżeli jest ona istotna dla zastosowania.

Sam pomiar twardości nie jest wystarczający do pełnej oceny jakości warstwy. Warstwa o bardzo wysokiej twardości, ale nadmiernej kruchości lub niekorzystnej strukturze dwufazowej może mieć gorsze właściwości użytkowe niż odpowiednio zaprojektowana warstwa Fe₂B.

Zastosowanie borowania

Borowanie stosuje się szczególnie w przypadku elementów narażonych na intensywne zużycie.
Typowe zastosowania obejmują:

• ślimaki i cylindry urządzeń do przetwórstwa tworzyw sztucznych,
• elementy pomp,
• zawory i gniazda zaworowe,
• tuleje i sworznie,
• prowadnice,
• elementy maszyn rolniczych,
• części maszyn górniczych,
• elementy urządzeń transportujących materiały sypkie,
• narzędzia do obróbki plastycznej,
• matryce i stemple,
• części narażone na erozję i ścieranie abrazyjne.

Zalety borowania

• bardzo wysoka twardość powierzchni,
• bardzo wysoka odporność na ścieranie,
• wysoka odporność na zużycie abrazyjne,
• możliwość zwiększenia trwałości części pracujących w trudnych warunkach tribologicznych,
• stabilność twardych faz borkowych w podwyższonej temperaturze w zakresie właściwym dla danego materiału,
• możliwość stosowania do wielu gatunków stali i żeliw.

Ograniczenia borowania

• stosunkowo wysoka temperatura procesu,
• ryzyko odkształceń elementu,
• kruchość warstwy borkowej,
• szczególnie niekorzystna może być nadmiernie gruba warstwa FeB,
• ograniczona przydatność przy silnych obciążeniach udarowych,
• konieczność odpowiedniego przygotowania powierzchni,
• utrudniona obróbka mechaniczna powierzchni po borowaniu ze względu na bardzo wysoką twardość.

Borowanie – porównanie z innymi procesami obróbki cieplno-chemicznej

Borowanie jest procesem obróbki cieplno-chemicznej polegającym na dyfuzyjnym nasycaniu powierzchni materiału borem. W przypadku stali prowadzi przede wszystkim do powstawania bardzo twardych borków żelaza Fe₂B i FeB.
Najbardziej pożądana jest w wielu zastosowaniach jednofazowa warstwa Fe₂B, zapewniająca bardzo wysoką odporność na ścieranie przy mniejszej kruchości niż warstwa zawierająca znaczną ilość FeB.
Najważniejszą zaletą borowania jest możliwość uzyskania wyjątkowo wysokiej twardości i odporności na zużycie abrazyjne. Proces znajduje dlatego zastosowanie w częściach maszyn pracujących w szczególnie ciężkich warunkach ściernych.
Jednocześnie wysoka twardość borków wiąże się z ich ograniczoną plastycznością. Prawidłowe zaprojektowanie warstwy wymaga więc kontroli jej grubości, składu fazowego i właściwości podłoża.
Borowania nie należy utożsamiać z nawęglaniem, azotowaniem ani azotonawęglaniem. W każdym z tych procesów wykorzystywany jest inny mechanizm kształtowania warstwy powierzchniowej i uzyskiwane są inne właściwości użytkowe.

Metody obróbki cieplnej i cieplno-chemicznej stali

Borowanie jest tylko jednym z procesów stosowanych do modyfikowania mikrostruktury i właściwości stali. W zależności od wymaganego efektu stosuje się również normalizowanie, odprężanie, hartowanie, odpuszczanie, etc,  oraz procesy cieplno-chemiczne, takie jak nawęglanie, azotowanie i inne

Metody obróbki cieplnej stali

• Normalizowanie stali – rozdrobnienie ziarna i ujednolicenie mikrostruktury.
• Wyżarzanie odprężające – redukcja naprężeń własnych.
• Zmiękczanie stali – zmniejszenie twardości i poprawa podatności na dalszą obróbkę.
• Wyżarzanie pełne – austenityzacja i powolne chłodzenie.
• Wyżarzanie izotermiczne – przemiana prowadzona podczas wytrzymania w odpowiednio dobranej temperaturze.
• Wyżarzanie kulkowe – sferoidyzujące – zmiana morfologii cementytu lub innych węglików.
• Wyżarzanie rekrystalizujące – usunięcie skutków zgniotu i przywrócenie plastyczności.
• Wyżarzanie homogenizujące – ograniczenie segregacji i ujednorodnienie składu materiału.
• Hartowanie i ulepszanie cieplne – kształtowanie mikrostruktury i właściwości poprzez hartowanie i odpuszczanie.
• Odpuszczanie stali – kontrolowana modyfikacja właściwości stali po hartowaniu.
• Hartowanie indukcyjne – powierzchniowe nagrzewanie indukcyjne i szybkie chłodzenie.
• Hartowanie płomieniowe – powierzchniowe hartowanie po miejscowym nagrzaniu płomieniem.
• Przesycanie – uzyskanie przesyconego roztworu stałego przez odpowiedni cykl cieplny.
• Starzenie – kontrolowane wydzielanie faz prowadzące do umocnienia materiału.

Metody obróbki cieplno-chemicznej stali

• Azotowanie stali – dyfuzyjne wzbogacanie warstwy powierzchniowej w azot.
• Nawęglanie stali – dyfuzyjne wzbogacanie powierzchni w węgiel.
• Węgloazotowanie – jednoczesne wzbogacanie warstwy powierzchniowej w węgiel i azot.
• Azotonawęglanie / nitrokarburacja – wzbogacanie warstwy przede wszystkim w azot i węgiel.
• Borowanie – dyfuzyjne nasycanie powierzchni borem.
• Chromowanie dyfuzyjne – dyfuzyjne wzbogacanie warstwy w chrom.
• Aluminiowanie dyfuzyjne – dyfuzyjne wzbogacanie warstwy w aluminium.