Teräksen poraus

Teräksen booraus – pinnan diffuusiokyllästyminen boori-, FeB- ja Fe₂B-kerroksella

Poraus, jota kutsutaan myös boronisaatio, on prosessi termokemiallinen käsittely joka koostuu materiaalin pintakerroksen diffuusiokyllästymisestä boori BProsessin tavoitteena on luoda erittäin kova boridikerros, joka tarjoaa ensisijaisesti hyvän kestävyyden hankaus-, adheesio- ja eroosiokulumiselle sekä lisää pinnan kestävyyttä tietyissä kemiallisissa ympäristöissä.
Raudan ja teräksen tapauksessa porauksen aikana muodostuvat pääkomponentit ovat rautaboridit Fe₂B ja FeBNiille on ominaista erittäin korkea kovuus, joka ylittää merkittävästi klassisen menetelmän tuloksena saatujen tyypillisten rakenteiden kovuuden kovettuminen.
Avarrusta käytetään pääasiassa komponenttien poraamiseen, jotka toimivat voimakkaan kitkan, hankauksen ja kuluttavien materiaalien kanssa kosketuksissa olevissa olosuhteissa, mukaan lukien kaivos-, maatalous- ja muovinjalostuskoneiden osat, pumput, venttiilit, työkalut ja irtomateriaalien kuljetuskomponentit.

Mitä on poraaminen?

Porauksen aikana työstettävän materiaalin pinta altistuu aktiivista ainetta sisältävälle ympäristölle boori B.
Riittävän korkeassa lämpötilassa booriatomit adsorboituvat pintaan ja diffundoituvat sitten materiaaliin.
Boorin affiniteetti on korkea rauta-Kun sopiva pitoisuus saavutetaan, muodostuu tyypillisiä rautaborideja:

  • Fe₂B,
  • helmikuuta.

Teräksen kemiallisesta koostumuksesta, lämpötilasta, prosessiajasta ja booriaktiivisuudesta riippuen voi muodostua yksifaasinen Fe₂B- tai kaksifaasinen FeB + Fe₂B-kerros.
Teknologisesta näkökulmasta on usein edullisempaa hankkia ensinnäkin yksivaiheinen Fe₂B-kerros, koska ulompi FeB-kerros on hauraampi.

Teräksinen porausmekanismi

Boronoidun kerroksen luomisprosessi voidaan yksinkertaistaa useisiin vaiheisiin:

  1. pinnan aktivointi ja aktiivisen boorin toimitus,
  2. booriatomien adsorptio materiaalin pinnalla,
  3. boorin diffuusio teräksen syvyyksiin,
  4. boorin reaktio raudan kanssa ja boridien muodostuminen,
  5. Fe₂B-kerroksen kasvu,
  6. riittävän korkealla booriaktiivisuudella – ulomman FeB-kerroksen muodostuminen.

Kerroksen kasvu on diffuusioprosessi ja siksi vahvasti riippuvainen lämpötilasta ja ajasta. Lämpötilan nostaminen lisää boorin diffuusionopeutta, ja prosessiajan pidentäminen johtaa yleensä kerroksen paksuuden kasvuun.

Boronoidun kerroksen rakentaminen

Porauksen aikana saatu kerros eroaa tyypillisestä porauksen aikana saadusta kerroksesta. hiiletys tai nitrausta.
Kyseessä ei ole vain booriliuos matriisissa. Pinnalle muodostuu erillisiä, erittäin kovia boridifaaseja.

StrefaTyypillinenMerkitys
helmikuutaUlkofaasi on booririkkaampiErittäin korkea kovuus, mutta myös suurempi hauraus
Fe₂BVaihe lähempänä maanpintaaKorkea kovuus ja yleensä edullisempi kulutuskestävyyden ja mekaanisen lujuuden yhdistelmä
SiirtymäalueBoorin kerroksen ja ytimen välinen alueSiirtää kuormia erittäin kovan kerroksen ja alustan välillä
YdinPerusmateriaaliTarjoaa elementille lujuuden, sitkeyden ja kantavuuden

Fe₂B-kerros

Fe₂B on erityisen toivottava faasi monissa teräksen boorointisovelluksissa.
Sille on ominaista:

Monien terästen Fe₂B-kerroksen tyypillinen piirre on sen hammastettu, neulamainen tai sahamainen reunus maanpinnan kanssaTämä morfologia johtuu suuntaavasta faasikasvusta boorin diffuusion aikana.
Se voi edistää kerroksen mekaanista ankkurointia alustamateriaaliin.

FeB-kerros

Jos ympäristön boorisointipotentiaali on korkea tai prosessi suoritetaan olosuhteissa, jotka suosivat pinnan rikastumista boorilla, Fe₂B-kerroksen ulkopinnalle voi muodostua faasi. helmikuuta.
FeB:lle on ominaista erittäin korkea kovuus, mutta samalla se on hauraampi.
Erillisen järjestelyn olemassaolo voi olla erityisen epäedullinen:

FeB → Fe₂B → substraatti

FeB- ja Fe₂B-faaseilla on erilaiset fysikaaliset ominaisuudet, mukaan lukien erilaiset lämpölaajenemiskertoimet. Tämä voi johtaa jännityksiin faasirajalla jäähdytyksen tai myöhemmän käytön aikana.
Tästä syystä monissa teknologisissa sovelluksissa pyritään rajoittamaan FeB:n muodostumista ja saamaan yksivaiheinen Fe₂B-kerros.

Boronoidun kerroksen kovuus

Yksi boorikerrosten tärkeimmistä ominaisuuksista on niiden erittäin korkea kovuus.
Boridikerrosten mikrokovuusarvot voivat olla faasista, materiaalista ja prosessiolosuhteista riippuen noin ... 1200-2000 HVja tietyissä järjestelmissä myös tämän alueen ulkopuolella.

Kerros tai rakenneOminaiskovuusaste
Fe₂BErittäin korkea kovuus, tyypillisesti useiden satojen HV:iden luokkaa
helmikuutaTyypillisesti jopa Fe₂B:tä kovempi, mutta hauraampi
Karkaistu teräsAlhaisempi kovuus kuin tyypillisessä boridipinnoitteessa
Elementin ydinRiippuu teräslaadusta ja aiemmasta lämpökäsittelystä

Korkean kovuuden ei kuitenkaan pitäisi olla ainoa kriteeri porauksen laadun arvioinnissa. Myös kerroksen paksuus, tasaisuus, hauraus, tarttuvuus alustaan ​​ja FeB-faasin läsnäolo ovat tärkeitä.

Porauslämpötila

Teräksen poraus suoritetaan yleensä suhteellisen korkeassa lämpötilassa, usein noin 800-1050 ° C.
Tarkat parametrit riippuvat:

  • materiaalin tyyppi,
  • porausmenetelmät,
  • vaadittu kerrospaksuus,
  • elementin geometria,
  • porausympäristön koostumus,
  • kerroksen vaadittu faasirakenne.

Korkeampi lämpötila lisää boorin diffuusionopeutta ja mahdollistaa nopeamman kerroskasvun, mutta se voi myös vaikuttaa komponentin ydinrakenteeseen, raekokoon, jännityksiin ja venymiin.

Ajan vaikutus boronoituneen kerroksen paksuuteen

Koska boorisointi on diffuusioprosessi, kerroksen paksuus kasvaa prosessin ajan myötä.
Tämä ei kuitenkaan ole lineaarinen suhde. Diffuusio-ohjatuissa prosesseissa kerroskasvu on yleensä lähellä parabolista.
Yksinkertaisesti sanottuna suhde voidaan kirjoittaa seuraavasti:

x² = kt

missä:

  • x – kerroksen paksuus,
  • k – kerroin, joka riippuu muun muassa lämpötilasta ja materiaalista,
  • t – koeaika.

Tämä tarkoittaa, että ajan kaksinkertaistaminen ei automaattisesti johda kerroksen paksuuden kaksinkertaistumiseen.

Boronoidun kerroksen paksuus

Teknologiasta ja sovelluksesta riippuen boridikerros voi olla useita kymmeniä tai useita satoja mikrometrejä paksu.
Voimakkaalle hankaukselle alttiille komponenteille voidaan tarvita suurempaa paksuutta, kun taas dynaamisille kuormille alttiille osille liian paksu ja hauras kerros voi olla epäedullinen.
Optimaalinen kerrospaksuus riippuu siis elementin todellisista käyttöolosuhteista.

Porausmenetelmät

Poraus voidaan suorittaa useilla menetelmillä, jotka eroavat toisistaan ​​boorin pintaan syöttämisen tavassa.

menetelmäTyypillinen
JauheporausElementti asetetaan jauheseokseen, joka sisältää boorin lähteen, aktivaattorin ja täyteaineita.
LiitäporausBoronisoivia ainesosia sisältävä valmiste levitetään suoraan elementin pinnalle
Kylpyammeen porausProsessi suoritetaan nestemäisessä ympäristössä, joka sisältää boorin kulkeutumisen mahdollistavia yhdisteitä.
KaasunporausBoori syötetään oikein valitusta kaasukehästä
PlasmaporausKomponenttien kuljetusta ja aktivointia tuetaan hohtopurkauksella ja plasmalla.

Jauheporaus

Jauheporaus on yksi tunnetuimmista teollisista menetelmistä.
Elementti asetetaan sopivaan boorilähdettä sisältävään jauheseokseen. Prosessilämpötilaan kuumennettaessa muodostuu aktiivisia komponentteja, jotka mahdollistavat boorin kulkeutumisen pintaan.
Menetelmä on teknisesti suhteellisen yksinkertainen ja sitä voidaan käyttää erikokoisille ja -muotoisille elementeille.
Rajoituksia ovat suhteellisen pitkä prosessiaika, jäännösseoksen poistamisen tarve ja paikallisen kerroskasvun vaikeampi hallinta kuin joissakin edistyneemmissä menetelmissä.

Liitäporaus

W tahnaporaus booriyhdisteitä sisältävää valmistetta levitetään elementin pinnalle.
Menetelmästä voi olla hyötyä seuraavissa tapauksissa:

  • suurikokoiset elementit,
  • valittujen pintojen poraaminen,
  • monimutkaisen geometrian omaavat osat,
  • paikallinen pintakäsittely.

Tahnan levittämisen jälkeen elementti altistetaan sopivalle lämpösyklille boorin diffuusion mahdollistamiseksi.

Plasmaporaus

Plasmaporaus käyttää aktiivista plasmaympäristöä boorin kuljetuksen tukemiseen pintaan.
Teknologia mahdollistaa tarkemman prosessinohjauksen ja voi vähentää joitakin perinteisille menetelmille tyypillisiä vikoja.
Plasmaprosessien etuihin kuuluu kyky hallita pintaparametreja, mutta ne vaativat monimutkaisempia teknologisia laitteita.

Seosaineiden vaikutus boronisaatioon

Teräksen kemiallisella koostumuksella on merkittävä vaikutus booritetun kerroksen kasvukinetiikkaan, morfologiaan ja ominaisuuksiin.

ElementtiSymboliVaikutus boronoituun kerrokseen
HiiliCSe vaikuttaa kerroksen kasvun kinetiikkaan ja boorikerroksen alla olevassa vyöhykkeessä tapahtuviin muutoksiin.
kromiCrSe voi osallistua seosboridien muodostumiseen ja vaikuttaa kerroksen kovuuteen ja morfologiaan.
NikkeliNiSe vaikuttaa seosterästen diffuusiokinetiikkaan ja kerrosrakenteeseen.
molybdeeniMoVoi muodostaa borideja ja vaikuttaa kerroksen ominaisuuksiin
VanadiiniVVahva booria muodostava elementti; voi vaikuttaa kerroksen faasikoostumukseen ja kovuuteen
TitaaniTiSillä on korkea affiniteetti booriin ja se voi muodostaa erittäin kovia borideja.

Seosteräksissä kerros voi siksi sisältää paitsi rautaborideja, myös borideja tai seosaineiden läsnäoloon liittyviä kompleksisia faaseja.

Mitä teräksiä voidaan porata?

Poraukseen voidaan käyttää monenlaisia ​​rautapitoisia materiaaleja, mukaan lukien:

  • vähähiiliset teräkset,
  • keskihiiliset teräkset,
  • seosteräksiset rakenneteräkset,
  • teräkset lämpöparannukseen,
  • valitut työkaluteräkset,
  • korroosionkestävät teräkset, jos teknologia on valittu oikein,
  • valurauta.

Materiaalin kemiallinen koostumus vaikuttaa kuitenkin kerroksen kasvunopeuteen, muotoon ja faasikoostumukseen, joten yhdelle teräkselle kehitettyjä parametreja ei pitäisi automaattisesti siirtää toiseen laatuun.

Avarrus ja hiiletys

Boronisointi ja hiiletys ovat diffuusiopinnan kyllästymisprosesseja, mutta ne johtavat perustavanlaatuisesti erilaisiin rakenteisiin.

OminaistaPorausHiiletys
ElementtiBor BHiili C
PääpintavaiheetFe₂B ja mahdollisesti FeBHiilellä rikastettu kerros, joka sitten kovetetaan sammuttamalla
Kovettuminen kyllästyksen jälkeenSe ei ole boridien korkean kovuuden saavuttamisen perusedellytysYleensä tarpeen kovan martensiittisen kerroksen saamiseksi
Kerroksen kovuusErittäin korkeaKorkea, mutta yleensä boridikerrosten kovuutta alhaisempi
KulutuskestävyysErittäin korkeakorkea
HaurausVoi olla merkittävä rajoitus, erityisesti FeB:n läsnä ollessaYleensä pienempi ja oikein tehty hiiletetty kerros

Poraus ja nitraus

Boronisointia voidaan verrata myös nitraukseen.

OminaistaPorausnitraus
ElementtiBor BTyppi N
Tyypilliset vaiheetFe₂B, FeB ja seosaineiden boriditNitridit ja γ′/ε-yhdistekerrokset teknologiasta riippuen
ProsessilämpötilaYleensä korkeampiYleensä alempi
KovuusErittäin korkeaErittäin korkea, materiaalista riippuen
MuodonmuutoksetRiski on suurempi korkeamman lämpötilan vuoksiYleensä pieni alhaisemman prosessilämpötilan vuoksi
KulutuskestävyysErityisen korkea hankaavissa olosuhteissaKorkea kulutuskestävyys ja pinnan väsymisen kestävyys

Borointi ja hiilityppitys / hiilityppitys

Karbonidointi tuottaa suhteellisen ohuen typpi- ja hiiliyhdisteiden kerroksen ja diffuusiovyöhykkeen. Boronidointi puolestaan ​​tuottaa erittäin kovia boridifaaseja.
Poraus voi parantaa kovuutta ja kestävyyttä voimakkaalle hankaukselle, mutta se suoritetaan korkeammassa lämpötilassa ja voi lisätä haurauden ja mittamuutosten riskiä.
Prosessin valinnan tulisi siksi perustua todellisiin käyttöolosuhteisiin eikä pelkästään suurimpaan mahdolliseen pinnan kovuuteen.

Porausprosessin vaikutus kulutuskestävyyteen

Tärkein syy poraamisen käyttöön on erittäin korkea hankauskestävyys.
Kovat boridit rajoittavat materiaalinpoistoa:

  • kovat mineraalihiukkaset,
  • hiekkaa ja pölyä,
  • irtomateriaalit,
  • kuljetetussa mediassa olevat hiukkaset,
  • liukuva kosketus tietyissä tribologisissa olosuhteissa.

Siksi poraus on erityisen kiinnostavaa sovelluksissa, joissa klassisesti karkaistu teräs tai muiden pintakäsittelyjen jälkeinen kerros kuluu liian nopeasti.

Boronoitujen kerrosten korroosionkestävyys

Boridikerrokset voivat parantaa materiaalin kestävyyttä tietyissä kemiallisissa ja syövyttävissä ympäristöissä.
Tämä ei kuitenkaan tarkoita, että poraaminen automaattisesti tarjoaisi yleismaailmallisen korroosiota.
Käyttäytyminen riippuu:

  • ympäristön tyyppi,
  • lämpötila,
  • kerroksen faasikoostumus,
  • kerroksen huokoisuus ja jatkuvuus,
  • substraattimateriaalin tyyppi.

Korroosionkestävyys tulisi siksi arvioida tietyssä käyttöympäristössä.

Boronoidun kerroksen hauraus

Erittäin korkea kovuus borideille liittyy rajallinen kyky plastiseen muodonmuutokseen.
Kerros voi olla halkeileva, kun:

  • voimakkaat iskukuormitukset,
  • merkittävät alustan muodonmuutokset,
  • suuret kosketusjännitykset,
  • väärin valittu kerrospaksuus,
  • liian paksun FeB-kerroksen läsnäolo.

Siksi elementin ytimen tulisi tarjota riittävä tuki erittäin kovalle pintakerrokselle.

Lämpökäsittely porauksen jälkeen

Terästyypistä ja käytetystä teknologiasta riippuen porausta voidaan yhdistää muihin lämpökäsittely.
Koska porauslämpötila voi olla samankaltaisella alueella kuin monien terästen austenitisoinnissa käytettävät lämpötilat, teknologinen sykli voidaan suunnitella siten, että myös ytimen ominaisuudet muotoutuvat asianmukaisesti porauksen jälkeen.
Tämä vaatii kuitenkin tietyn tyyppisen materiaalin parametrien yksilöllisen valinnan.

Boronoidun kerroksen laadunvalvonta

Kerroksen arviointi porauksen jälkeen voi sisältää seuraavat:

  • kerrospaksuuden mittaus,
  • metallografinen tutkimus,
  • FeB- ja Fe₂B-faasien tunnistaminen,
  • mittaus mikrokovuus,
  • kerroksen ja alustan rajapinnan morfologian arviointi,
  • halkeamien ja epäjatkuvuuksien tarkastus,
  • kulutuskestävyystestit,
  • korroosionkestävyystestaus, jos se on sovelluksen kannalta olennaista.

Pelkkä kovuuden mittaus ei riitä kerroksen laadun täydelliseen arviointiin. Kerros, jolla on erittäin korkea kovuus, mutta liiallinen hauraus tai epäedullinen kaksifaasirakenne, voi olla heikompi suorituskyky kuin oikein suunnitellulla Fe₂B-kerroksella.

Porausmenetelmä

Porausta käytetään erityisesti komponenttien poraamiseen, jotka altistuvat voimakkaalle kulutukselle.
Tyypillisiä sovelluksia ovat:

  • muovinjalostuslaitteiden ruuvit ja sylinterit,
  • pumpun komponentit,
  • venttiilit ja venttiilien istukat,
  • holkit ja tapit,
  • oppaat,
  • maatalouskoneiden osat,
  • kaivoskoneiden osat,
  • irtomateriaalien kuljetuslaitteiden osat,
  • muovinjalostustyökalut,
  • muotteja ja rei'ittimiä,
  • osia, jotka altistuvat eroosiolle ja kulumiselle.

Poraustyön edut

  • erittäin korkea pinnan kovuus,
  • erittäin korkea kulutuskestävyys,
  • korkea hankauskestävyys,
  • mahdollisuus parantaa vaikeissa tribologisissa olosuhteissa toimivien osien kestävyyttä,
  • kovien boridifaasien stabiilius korotetuissa lämpötiloissa tietylle materiaalille sopivalla alueella,
  • voidaan käyttää monille teräksille ja valuraudalle.

Porausrajoitukset

  • suhteellisen korkea prosessilämpötila,
  • elementin muodonmuutoksen riski,
  • boorikerroksen hauraus,
  • Liian paksu FeB-kerros voi olla erityisen epäedullinen,
  • rajoitettu soveltuvuus raskaille iskukuormille,
  • asianmukaisen pinnan esikäsittelyn tarve,
  • pinnan vaikea mekaaninen käsittely porauksen jälkeen erittäin korkean kovuuden vuoksi.

Poraus – vertailu muihin termokemiallisiin käsittelyprosesseihin

prosessiPääelementtiKerroksen luonneTärkein ominaisuus
PorausBBorki Fe₂B / FeBErittäin korkea kovuus ja kulutuskestävyys
HiiletysCC-rikastettu kerros, joka sitten kovetetaan sammuttamallaKova kerros ja sitkeä ydin
nitrausNNitridit + diffuusiovyöhykeKorkea kovuus suhteellisen pienillä muodonmuutoksilla
Nitrohiiletys / nitrohiiletysN + CYhdistekerros + diffuusiovyöhykeKulumiskestävyys, kiinnileikkautumisen kestävyys ja mahdollisuus parantaa korroosionkestävyyttä
HiilinitridointiC + NHiilen ja typen rikastettu kerros, sitten kovetettuKova kerros kovettumisen jälkeen

Boronisointi on termokemiallinen käsittelyprosessi, jossa materiaalin pinta kyllästetään diffuusion avulla boorilla. Teräksen tapauksessa se johtaa pääasiassa erittäin kovien rautaboridien muodostumiseen. Fe₂B ja FeB.
Halutuin kerros monissa sovelluksissa on yksivaiheinen kerros. Fe₂B, mikä tarjoaa erittäin korkean kulutuskestävyyden ja vähemmän haurautta kuin kerros, joka sisältää merkittävän määrän FeB:tä.
Porausprosessin tärkein etu on mahdollisuus saada poikkeuksellisen korkea kovuus ja kestävyys hankausta vastaanProsessia käytetään siksi koneenosissa, jotka toimivat erityisen ankarissa hankausolosuhteissa.
Samaan aikaan boridien korkea kovuus liittyy niiden rajalliseen plastisuuteen. Siksi kerroksen asianmukainen suunnittelu edellyttää sen paksuuden, faasikoostumuksen ja alustan ominaisuuksien hallintaa.
Porausta ei pidä rinnastaa hiiletys, nitraus tai hiilityppetys. Kussakin näistä prosesseista käytetään erilaista mekanismia pintakerroksen muotoiluun ja saavutetaan erilaiset toiminnalliset ominaisuudet.

Teräksen lämpö- ja termokemialliset käsittelymenetelmät

Boronointi on vain yksi teräksen mikrorakenteen ja ominaisuuksien muokkaamiseen käytetyistä prosesseista. Halutusta vaikutuksesta riippuen käytetään myös normalisointia, jännityksenpoistoa, karkaisua, päästöä jne. sekä termokemiallisia prosesseja, kuten hiiletystä, nitrausta ja muita.

Teräksen lämpökäsittelymenetelmät

Teräksen termokemiallisen käsittelyn menetelmät

Evästeasetukset

Hyvät asiakkaat, Alfa-Techin verkkosivusto käyttää evästeitä varmistaakseen sen moitteettoman toiminnan. Voit määrittää tallennus- tai käyttöehdot napsauttamalla Asetukset . Suosittelemme, että luet tietosuojakäytäntömme.