Terase boorimine – pinna difusioonküllastumine boori, FeB ja Fe₂B kihiga
Puurimine, nimetatakse ka booriseerimine, on protsess termokeemiline töötlemine mis seisneb materjali pinnakihi difusiooniküllastumises boor BProtsessi eesmärk on luua väga kõva boriidkiht, mis tagab eelkõige suure vastupidavuse abrasiivsele, adhesioonilisele ja erosioonilisele kulumisele ning suurendab pinna vastupidavust teatud keemilistele keskkondadele.
Raua ja terase puhul puurimise ajal moodustuvad peamised komponendid on raudboriidid Fe₂B ja FeBNeid iseloomustab väga kõrge kõvadus, ületades oluliselt klassikalise meetodi abil saadud tüüpiliste struktuuride kõvadust kõvenemine.
Puurimist kasutatakse peamiselt komponentide puhul, mis töötavad intensiivse hõõrdumise, kulumise ja abrasiivsete materjalidega kokkupuute tingimustes, sealhulgas kaevandus-, põllumajandus- ja plastmassitöötlemismasinate osad, pumbad, ventiilid, tööriistad ja puistematerjalide transportimiseks mõeldud komponendid.
Mis on puurimine?
Puurimise ajal puutub töödeldava materjali pind kokku aktiivset ainet sisaldava keskkonnaga. boor B.
Piisavalt kõrgel temperatuuril adsorbeeruvad boori aatomid pinnale ja seejärel difundeeruvad materjali.
Booril on kõrge afiinsus raudSobiva kontsentratsiooni saavutamisel moodustuvad iseloomulikud raudboriidid:
- Fe₂B,
- Veebruar.
Sõltuvalt terase keemilisest koostisest, temperatuurist, töötlemisajast ja boori aktiivsusest võib moodustuda ühefaasiline Fe₂B või kahefaasiline FeB + Fe₂B kiht.
Tehnoloogilisest vaatepunktist on sageli soodsam hankida esiteks ühefaasiline Fe₂B kiht, kuna välimine FeB kiht on hapram.
Terasest puurimismehhanism
Booritud kihi loomise protsessi saab lihtsustada mitmeks etapiks:
- pinna aktiveerimine ja aktiivse boori tarnimine,
- boori aatomite adsorptsioon materjali pinnal,
- boori difusioon terase sügavustesse,
- boori reaktsioon rauaga ja boriidide moodustumine,
- Fe₂B kihi kasv,
- piisavalt kõrge boori aktiivsusega – välimise FeB kihi moodustumine.
Kihi kasv on difusiooniprotsess ja seetõttu sõltub see tugevalt temperatuurist ja ajast. Temperatuuri tõus suurendab boori difusiooni kiirust ja protsessi aja pikenemine viib üldiselt kihi paksuse suurenemiseni.
Booritud kihi ehitus
Puurimisel saadud kiht erineb tüüpilisest kihist, mis saadakse puurimisel. süsinikustamine või nitrideerimine.
See ei ole ainult boori lahus maatriksis. Pinnale moodustuvad eraldi väga kõvad boriidi faasid.
| Strefa | Iseloomulik | Tähendus |
|---|---|---|
| Veebruar | Välimine faas on booririkkam | Väga kõrge kõvadus, aga ka suurem rabedus |
| Fe₂B | Faas maapinnale lähemal | Suur kõvadus ja tavaliselt soodsam kulumiskindluse ja mehaanilise tugevuse kombinatsioon |
| Üleminekutsoon | Boorikihi ja südamiku vaheline ala | Kannab koormusi üle väga kõva kihi ja aluspinna vahel |
| Tuum | Põhimaterjal | Annab elemendile tugevuse, elastsuse ja kandevõime |
Fe₂B kiht
Fe₂B on eriti soovitav faas paljudes terase booriseerimise rakendustes.
Seda iseloomustab:
- väga kõrge kõvadus,
- kõrge kulumiskindlus,
- hea nakkuvus aluspinnaga, kui protsess on õigesti läbi viidud,
- vähem rabe kui FeB faas.
Paljude teraste Fe₂B kihi iseloomulikuks tunnuseks on selle sakiline, nõelataoline või saehambuline ääris maapinnagaSee morfoloogia tuleneb suunatud faasikasvust boori difusiooni ajal.
See võib soodustada kihi mehaanilist kinnitumist alusmaterjali külge.
FeB-kiht
Kui keskkonna booriseeriv potentsiaal on kõrge või protsess viiakse läbi tingimustes, mis soodustavad pinna edasist rikastumist booriga, võib Fe₂B kihi välisküljele moodustuda faas. Veebruar.
FeB-d iseloomustab väga kõrge kõvadus, kuid samal ajal on see hapram.
Eraldi kokkuleppe olemasolu võib olla eriti ebasoodne:
FeB ja Fe₂B faasidel on erinevad füüsikalised omadused, sealhulgas erinevad soojuspaisumistegurid. See võib jahutamise või järgneva kasutamise ajal faaside piiril pingeid tekitada.
Sel põhjusel püütakse paljudes tehnoloogilistes rakendustes piirata FeB moodustumist ja saada ühefaasiline Fe₂B kiht.
Booritud kihi kõvadus
Boorkihtide üks olulisemaid omadusi on nende väga kõrge kõvadus.
Sõltuvalt faasist, materjalist ja protsessitingimustest võivad boriidkihtide mikrokõvaduse väärtused olla ligikaudu umbes. 1200-2000 HVja teatud süsteemides ka väljaspool seda vahemikku.
| Kiht või struktuur | Iseloomulik kõvadusaste |
|---|---|
| Fe₂B | Väga kõrge kõvadus, tavaliselt mitu sada HV-d |
| Veebruar | Tavaliselt isegi suurema kõvadusega kui Fe₂B, kuid hapram |
| Karastatud teras | Madalam kõvadus kui tüüpilisel boriidkattel |
| Elemendi tuum | Sõltub terase klassist ja eelnevast kuumtöötlusest |
Siiski ei tohiks kõrge kõvadus olla ainus kriteerium puurimise kvaliteedi hindamisel. Olulised on ka kihi paksus, ühtlus, rabedus, nakkuvus aluspinnaga ja FeB-faasi olemasolu.
Puurimistemperatuur
Terase puurimine toimub tavaliselt suhteliselt kõrgel temperatuuril, sageli umbes 800-1050 ° C.
Täpsed parameetrid sõltuvad:
- materjali tüüp,
- puurimismeetodid,
- nõutav kihi paksus,
- elemendi geomeetria,
- puurimiskeskkonna koostis,
- kihi nõutav faasistruktuur.
Kõrgem temperatuur suurendab boori difusioonikiirust ja võimaldab kiiremat kihi kasvu, kuid võib mõjutada ka komponendi südamiku struktuuri, tera suurust, pingeid ja deformatsioone.
Aja mõju booritud kihi paksusele
Kuna boorimine on difusiooniprotsess, suureneb kihi paksus protsessi ajaga.
See ei ole aga lineaarne seos. Difusiooniga kontrollitud protsessides on kihi kasv tavaliselt paraboolse lähedane.
Lihtsamalt öeldes saab seose kirja panna järgmiselt:
kus:
- x – kihi paksus,
- k – koefitsient, mis sõltub muuhulgas temperatuurist ja materjalist,
- t – prooviaeg.
See tähendab, et aja kahekordistamine ei too automaatselt kaasa kihi paksuse kahekordistumist.
Booritud kihi paksus
Sõltuvalt tehnoloogiast ja rakendusest võib boriidikiht olla mitukümmend kuni mitusada mikromeetrit paksune.
Intensiivsele hõõrdumisele alluvate komponentide puhul võib olla vajalik suurem paksus, samas kui dünaamilisele koormusele alluvate osade puhul võib liiga paks ja rabe kiht olla ebasoodne.
Seega sõltub optimaalne kihi paksus elemendi tegelikest töötingimustest.
Puurimismeetodid
Puurimist saab teha mitmel meetodil, mis erinevad boori pinnale toimetamise viisi poolest.
| Meetod | Iseloomulik |
|---|---|
| Pulbri puurimine | Element asetatakse pulbrisegusse, mis sisaldab booriallikat, aktivaatorit ja täiteaineid. |
| Pasta puurimine | Booriseerivaid koostisosi sisaldav preparaat kantakse otse elemendi pinnale. |
| Vanni puurimine | Protsess viiakse läbi vedelas keskkonnas, mis sisaldab boori kohaletoimetamist võimaldavaid ühendeid. |
| Gaasi puurimine | Boori tarnitakse õigesti valitud gaasiatmosfäärist |
| Plasma puurimine | Komponentide transporti ja aktiveerimist toetavad hõõglahendus ja plasma. |
Pulbri puurimine
Pulbri puurimine on üks tuntumaid tööstuslikke meetodeid.
Element asetatakse sobivasse pulbrisegusse, mis sisaldab booriallikat. Protsessitemperatuurini kuumutamisel moodustuvad aktiivsed komponendid, mis võimaldavad booril pinnale transportida.
Meetod on tehnoloogiliselt suhteliselt lihtne ja seda saab kasutada erineva suuruse ja kujuga elementide puhul.
Piirangute hulka kuuluvad suhteliselt pikk protsessiaeg, vajadus eemaldada järelejäänud segu ja lokaalse kihi kasvu keerulisem kontrollimine võrreldes mõnede keerukamate meetoditega.
Pasta puurimine
W pasta puurimine elemendi pinnale kantakse booriühendeid sisaldav preparaat.
Meetod võib olla kasulik järgmistel juhtudel:
- suured elemendid,
- valitud pindade puurimine,
- keeruka geomeetriaga osad,
- lokaalne pinnatöötlus.
Pärast pasta pealekandmist allutatakse element boori difusiooni võimaldamiseks sobivale termilisele tsüklile.
Plasma puurimine
Plasma puurimine kasutab boori pinnale transportimise toetamiseks aktiivset plasmakeskkonda.
See tehnoloogia võimaldab täpsemat protsessijuhtimist ja võib vähendada mõningaid traditsioonilistele meetoditele iseloomulikke defekte.
Plasmaprotsesside eeliste hulka kuulub võime kontrollida pinnaparameetreid, kuid need nõuavad keerukamaid tehnoloogilisi seadmeid.
Legeerivate elementide mõju booriseerumisele
Terase keemilisel koostisel on oluline mõju booritud kihi kasvukineetikale, morfoloogiale ja omadustele.
| Element | Sümbol | Mõju booritud kihile |
|---|---|---|
| Kivisüsi | C | See mõjutab kihi kasvu kineetikat ja boorikihi all olevas tsoonis toimuvaid muutusi. |
| chrom | Cr | See võib osaleda sulamboriidide moodustumisel ning mõjutada kihi kõvadust ja morfoloogiat. |
| Nikkel | Ni | See mõjutab legeerteraste difusioonikineetikat ja kihistruktuuri. |
| molübdeeni | Mo | Võib moodustada boriide ja mõjutada kihi omadusi |
| Vanaadium | V | Tugev boori moodustav element; võib mõjutada kihi faasikoostist ja kõvadust |
| Titaan | Ti | Sellel on boori suhtes kõrge afiinsus ja see võib moodustada väga kõvasid boriide. |
Legeerterastes võib kiht seega sisaldada lisaks raudboriididele ka boriide või legeerelementide olemasoluga seotud kompleksfaase.
Milliseid teraseid saab puurida?
Puurida saab laia valikut raudmaterjale, sealhulgas:
- madala süsinikusisaldusega terased,
- keskmise süsinikusisaldusega terased,
- legeerkonstruktsiooniterased,
- termiliseks parandamiseks mõeldud terased,
- valitud tööriistaterased,
- korrosioonikindlad terased, kui tehnoloogia on õigesti valitud,
- malm.
Materjali keemiline koostis mõjutab aga kihi kasvu kiirust, selle kuju ja faasikoostist, mistõttu ei tohiks ühe terase jaoks väljatöötatud parameetreid automaatselt teisele klassile üle kanda.
Puurimine ja süsinikustamine
Boorimine ja karastamine on difusioonpinna küllastumisprotsessid, kuid need viivad põhimõtteliselt erinevate struktuurideni.
| Iseloomulik | Puurimine | Karboniseerimine |
|---|---|---|
| Element | Bor B | Süsinik C |
| Peamised pinnafaasid | Fe₂B ja võimalik, et FeB | Süsinikuga rikastatud kiht, mis seejärel karastamise teel kõvastub |
| Kõvenemine pärast küllastumist | See ei ole boriidide kõrge kõvaduse saavutamise põhitingimus. | Tavaliselt vajalik kõva martensiitse kihi saamiseks |
| Kihi kõvadus | Väga kõrge | Kõrge, kuid tavaliselt madalam kui boriidkihtide kõvadus |
| Kulumiskindlus | Väga kõrge | kõrge |
| Haprus | Võib olla märkimisväärne piirang, eriti FeB juuresolekul | Tavaliselt väiksem ja korralikult valmistatud karastatud kihiga |
Puurimine ja nitrideerimine
Boorimist saab võrrelda ka nitrideerimisega.
| Iseloomulik | Puurimine | Nitriidimine |
|---|---|---|
| Element | Bor B | Lämmastik N |
| Tüüpilised faasid | Fe₂B, FeB ja legeerelementide boriidid | Nitriidid ja γ′/ε liitkihid sõltuvalt tehnoloogiast |
| Protsessi temperatuur | Tavaliselt kõrgem | Tavaliselt madalam |
| Kõvadus | Äärmiselt kõrge | Väga kõrge, olenevalt materjalist |
| Deformatsioonid | Kõrgema temperatuuri tõttu on risk suurem | Tavaliselt väike madalama protsessitemperatuuri tõttu |
| Kulumiskindlus | Eriti kõrge abrasiivsetes tingimustes | Suur kulumiskindlus ja pinna väsimus |
Boorimine ja nitrokarbureerimine / nitrokarbureerimine
Karbonitriidimine tekitab suhteliselt õhukese lämmastiku- ja süsinikuühendite kihi ning difusioonitsooni. Boroniseerimine seevastu tekitab väga kõvasid boriidifaase.
Puurimine võib pakkuda suuremat kõvadust ja vastupidavust tugevale kulumisele, kuid seda tehakse kõrgemal temperatuuril ning sellega võib kaasneda suurem rabeduse ja mõõtmete muutuste oht.
Seetõttu peaks protsessi valik põhinema tegelikel töötingimustel, mitte ainult maksimaalsel võimalikul pinna kõvadusel.
Puurimise mõju kulumiskindlusele
Puurimise kasutamise kõige olulisem põhjus on väga kõrge vastupidavus abrasiivsele kulumisele.
Kõvad boriidid piiravad materjali eemaldamist järgmiselt:
- kõvad mineraalosakesed,
- liiva ja tolmu,
- puistematerjalid,
- transporditavas keskkonnas sisalduvad osakesed,
- libisev kontakt spetsiifilistes triboloogilistes tingimustes.
Seetõttu on puurimine eriti huvitav rakendustes, kus klassikaliselt karastatud teras või kiht pärast muid pinnatöötlusi kulub liiga kiiresti.
Booritud kihtide korrosioonikindlus
Boriidkihid võivad parandada materjali vastupidavust teatud keemilistele ja söövitavatele keskkondadele.
See ei tähenda aga, et puurimine automaatselt universaalset tulemust tagab. korrosioonikindlus.
Käitumine sõltub:
- keskkonna tüüp,
- temperatuur,
- kihi faasikoostis,
- kihi poorsus ja järjepidevus,
- substraadi materjali tüüp.
Seetõttu tuleks korrosioonikindlust hinnata konkreetse töökeskkonna jaoks.
Booritud kihi rabedus
Väga kõrge kõvadus Boriidid on seotud piiratud plastilise deformatsioonivõimega.
Kiht võib pragunemisele vastuvõtlik olla, kui:
- tugevad löögikoormused,
- aluspinna olulised deformatsioonid,
- suured kontaktpinged,
- valesti valitud kihi paksus,
- Liiga paksu FeB-kihi olemasolu.
Seetõttu peaks elemendi südamik pakkuma väga kõvale pinnakihile piisavat tuge.
Kuumtöötlus pärast puurimist
Sõltuvalt terasetüübist ja kasutatavast tehnoloogiast võib puurimist kombineerida edasiste puurimistödega. kuumtöötlus.
Kuna puurimistemperatuur võib olla sarnases vahemikus paljude teraste austenitiseerimisel kasutatavate temperatuuridega, saab tehnoloogilist tsüklit kujundada nii, et ka südamiku omadused pärast puurimist kujunevad vastavalt.
See aga nõuab konkreetse materjali tüübi parameetrite individuaalset valimist.
Booritud kihi kvaliteedikontroll
Kihi hindamine pärast puurimist võib hõlmata järgmist:
- kihi paksuse mõõtmine,
- metallograafiline uuring,
- FeB ja Fe₂B faaside identifitseerimine,
- mõõtmine mikrokõvadus,
- kihi ja aluspinna piiri morfoloogia hindamine,
- pragude ja katkestuste kontroll,
- kulumiskindluse katsed,
- korrosioonikindluse katsetamine, kui see on rakenduse jaoks asjakohane.
Ainult kõvaduse mõõtmisest ei piisa kihi kvaliteedi täielikuks hindamiseks. Väga suure kõvadusega, kuid liigse rabedusega või ebasoodsa kahefaasilise struktuuriga kiht võib olla halvema jõudlusega kui õigesti projekteeritud Fe₂B kiht.
Puurimise rakendamine
Puurimist kasutatakse eriti intensiivse kulumisega kokkupuutuvate komponentide puhul.
Tüüpilised rakendused hõlmavad järgmist:
- plastmassi töötlemise seadmete kruvid ja silindrid,
- pumba komponendid,
- ventiilid ja klapipesad,
- puksid ja tihvtid,
- giidid,
- põllumajandustehnika elemendid,
- kaevandusmasinate osad,
- puistematerjalide transportimiseks mõeldud seadmete elemendid,
- plasttöötlusvahendid,
- stantsid ja stantsid,
- erosioonile ja abrasiivkulumisele avatud osad.
Puurimise eelised
- väga kõrge pinna kõvadus,
- väga kõrge kulumiskindlus,
- kõrge vastupidavus abrasiivsele kulumisele,
- võimalus suurendada rasketes triboloogilistes tingimustes töötavate osade vastupidavust,
- kõvade boriidifaaside stabiilsus kõrgendatud temperatuuridel antud materjali jaoks sobivas vahemikus,
- saab kasutada paljude terase- ja malmitüüpide puhul.
Puurimise piirangud
- suhteliselt kõrge protsessitemperatuur,
- elemendi deformatsiooni oht,
- boorikihi rabedus,
- Liiga paks FeB-kiht võib olla eriti ebasoodne,
- piiratud sobivus raskete löökkoormuste jaoks,
- vajadus sobiva pinna ettevalmistamise järele,
- pinna keeruline mehaaniline töötlemine pärast puurimist väga kõrge kõvaduse tõttu.
Puurimine – võrdlus teiste termokeemiliste töötlusprotsessidega
| Protsess | Peamine element | Kihi iseloom | Kõige olulisem omadus |
|---|---|---|---|
| Puurimine | B | Borki Fe₂B / FeB | Väga kõrge kõvadus ja kulumiskindlus |
| Karboniseerimine | C | C-rikastatud kiht, seejärel karastamine karastamise teel | Kõva kiht ja painduv südamik |
| Nitriidimine | N | Nitriidid + difusioonitsoon | Suur kõvadus suhteliselt väikeste deformatsioonidega |
| Nitrokarburiseerimine / nitrokarburiseerimine | N + C | Liitkiht + difusioonitsoon | Kulumiskindlus, kinnikiilumiskindlus ja korrosioonikindluse parandamise võimalus |
| Karbonitriidimine | C + N | C- ja N-rikastatud kiht, seejärel kõvastatud | Kõva kiht pärast kõvenemist |
Boorimine on termokeemiline töötlusprotsess, mis seisneb materjali pinna difusioonilisel küllastamisel booriga. Terase puhul viib see peamiselt väga kõvade raudboriidide moodustumiseni. Fe₂B ja FeB.
Paljudes rakendustes on kõige soovitavam kiht ühefaasiline kiht. Fe₂B, pakkudes väga kõrget kulumiskindlust ja väiksemat rabedust kui kiht, mis sisaldab märkimisväärses koguses FeB-d.
Puurimise kõige olulisem eelis on võimalus saada erakordselt kõrge kõvadus ja vastupidavus abrasiivsele kulumiseleSeetõttu kasutatakse seda protsessi masinaosades, mis töötavad eriti karmides abrasiivsetes tingimustes.
Samal ajal on boriidide kõrge kõvadus seotud nende piiratud plastilisusega. Seetõttu nõuab kihi õige disain kontrolli selle paksuse, faasikoostise ja aluspinna omaduste üle.
Puurimist ei tohiks võrdsustada süsinikustamine, nitrideerimine või nitrokarburiseerimine. Kõik need protsessid kasutavad pinnakihi kujundamiseks ja erinevate funktsionaalsete omaduste saavutamiseks erinevat mehhanismi.
Terase kuum- ja termokeemilise töötlemise meetodid
Boorimine on vaid üks protsessidest, mida kasutatakse terase mikrostruktuuri ja omaduste muutmiseks. Sõltuvalt soovitud efektist kasutatakse ka normaliseerimist, pingete leevendamist, karastamist, noolutamist jne, aga ka termokeemilisi protsesse, nagu karastamine, nitrideerimine ja muud.
Terase kuumtöötlusmeetodid
- Terase normaliseerimine – terade täpsustamine ja mikrostruktuuri ühendamine.
- Pingete leevendamise lõõmutamine – jääkpingete vähendamine.
- Terase pehmenemine – kõvaduse vähendamine ja edasise töötlemise suhtes vastuvõtlikkuse parandamine.
- Täielik lõõmutamine – austenitiseerimine ja aeglane jahutamine.
- Isotermiline lõõmutamine – ümberkujundamine, mis viiakse läbi sobivalt valitud temperatuuril hoides.
- Kuulide lõõmutamine – sferoidiseerimine – tsementiidi või muude karbiidide morfoloogia muutus.
- Ümberkristalliseerumise lõõmutamine – purustamise mõjude kõrvaldamine ja plastilisuse taastamine.
- Homogeniseeriv lõõmutamine – segregatsiooni vähendamine ja materjali koostise homogeniseerimine.
- Karastamine ja kuumtöötlus – mikrostruktuuri ja omaduste kujundamine karastamise ja noolutamise teel.
- Karastatud teras – terase omaduste kontrollitud muutmine pärast karastamist.
- Induktsioonkarastamine – pinna induktsioonkuumutamine ja kiire jahutamine.
- Leegi karastamine – pinna kõvenemine pärast lokaalset kuumutamist leegiga.
- Üleküllastumine – sobiva termilise tsükli abil üleküllastunud tahke lahuse saamine.
- Vananemine – kontrollitud faaside eraldumine, mis viib materjali tugevnemiseni.
Terase termokeemilise töötlemise meetodid
- Terase nitrideerimine – pinnakihi difusioonne rikastamine lämmastikuga.
- Terase karastamine – pinna difusioonne rikastumine süsinikuga.
- Karbonitriidimine – pinnakihi samaaegne rikastamine süsiniku ja lämmastikuga.
- Nitrokarburiseerimine / nitrokarburiseerimine – kihi rikastumine peamiselt lämmastiku ja süsinikuga.
- Puurimine – pinna difusioonküllastumine booriga.
- Difusioonkroomimine – kihi difusioonrikastamine kroomiga.
- Difusioonalumiinimine – kihi difusioonrikastumine alumiiniumis.