Pemboronisasi keluli – ketepuan resapan permukaan dengan lapisan boron, FeB dan Fe₂B
Penggerudian, juga dipanggil boronisasi, adalah satu proses rawatan termokimia yang terdiri daripada ketepuan resapan lapisan permukaan bahan boron BTujuan proses ini adalah untuk mencipta lapisan borida yang sangat keras, yang memberikan rintangan yang tinggi terutamanya terhadap haus kasar, pelekat dan hakisan, serta peningkatan rintangan permukaan terhadap persekitaran kimia tertentu.
Dalam kes besi dan keluli, semasa penggerudian, komponen utama yang terbentuk ialah borida besi Fe₂B dan FeBMereka dicirikan oleh sangat tinggi kekerasan, dengan ketara melebihi kekerasan struktur tipikal yang diperoleh hasil daripada klasik pengerasan.
Pengorek digunakan terutamanya untuk komponen yang beroperasi dalam keadaan geseran, lelasan dan sentuhan yang kuat dengan bahan kasar, termasuk bahagian mesin pemprosesan perlombongan, pertanian dan plastik, pam, injap, peralatan dan komponen yang mengangkut bahan pukal.
Apakah penggerudian itu?
Semasa penggerudian, permukaan bahan yang diproses terdedah kepada persekitaran yang mengandungi bahan aktif boron B.
Pada suhu yang cukup tinggi, atom boron terserap di permukaan dan kemudian meresap ke dalam bahan.
Boron mempunyai pertalian yang tinggi terhadap żelazaApabila kepekatan yang sesuai dicapai, borida besi yang khas terbentuk:
- Fe₂B,
- Feb.
Bergantung pada komposisi kimia keluli, suhu, masa proses dan aktiviti boron, lapisan Fe₂B fasa tunggal atau FeB + Fe₂B dua fasa mungkin terbentuk.
Dari sudut pandangan teknologi, selalunya lebih berfaedah untuk mendapatkan, pertama sekali, lapisan Fe₂B fasa tunggal, kerana lapisan FeB2 luar lebih rapuh.
Mekanisme penggerudian keluli
Proses mencipta lapisan boron boleh dipermudahkan kepada beberapa peringkat:
- pengaktifan permukaan dan bekalan boron aktif,
- penjerapan atom boron pada permukaan bahan,
- penyebaran boron ke dalam kedalaman keluli,
- tindak balas boron dengan besi dan pembentukan borida,
- pertumbuhan lapisan Fe₂B,
- dengan aktiviti boron yang cukup tinggi – pembentukan lapisan FeB2 luar.
Pertumbuhan lapisan merupakan proses resapan dan oleh itu sangat bergantung pada suhu dan masa. Peningkatan suhu meningkatkan kadar resapan boron, dan peningkatan masa proses secara amnya membawa kepada peningkatan ketebalan lapisan.
Pembinaan lapisan boronis
Lapisan yang diperoleh semasa penggerudian adalah berbeza daripada lapisan biasa yang diperoleh semasa pengkarburisasian atau nitriding.
Ia bukan sekadar larutan boron dalam matriks. Fasa borida yang sangat keras dan berasingan terbentuk di permukaan.
| Strefa | Charakterystyka | Maksudnya |
|---|---|---|
| Feb | Fasa luar lebih kaya dengan boron | Kekerasan yang sangat tinggi, tetapi juga kerapuhan yang lebih tinggi |
| Fe₂B | Fasa lebih dekat dengan tanah | Kekerasan yang tinggi dan biasanya gabungan rintangan haus dan kekuatan mekanikal yang lebih baik |
| Zon peralihan | Kawasan antara lapisan boron dan teras | Memindahkan beban antara lapisan yang sangat keras dan substrat |
| Teras | Bahan asas | Memberikan kekuatan, kemuluran dan kapasiti galas beban elemen |
Lapisan Fe₂B
Fe₂B merupakan fasa yang amat diingini dalam banyak aplikasi pemboronan keluli.
Ia dicirikan oleh:
- sangat tinggi kekerasan,
- rintangan lelasan yang tinggi,
- ikatan yang baik pada substrat apabila proses dijalankan dengan betul,
- kurang rapuh berbanding fasa FeB.
Satu ciri khas lapisan Fe₂B pada banyak keluli ialah sempadan bergigi, seperti jarum atau bergigi gergaji dengan tanahMorfologi ini terhasil daripada pertumbuhan fasa berarah semasa resapan boron.
Ia boleh menggalakkan penambatan mekanikal lapisan dalam bahan substrat.
Lapisan FeB
Jika potensi pengboronisasi persekitaran adalah tinggi atau proses dijalankan di bawah keadaan yang menggalakkan pengayaan permukaan selanjutnya dengan boron, fasa mungkin terbentuk pada bahagian luar lapisan Fe₂B. Feb.
FeB dicirikan oleh kekerasan yang sangat tinggi, tetapi pada masa yang sama ia lebih rapuh.
Kehadiran susunan yang berbeza mungkin amat tidak menguntungkan:
Fasa FeB dan Fe₂B mempunyai sifat fizikal yang berbeza, termasuk pekali pengembangan haba yang berbeza. Ini boleh menyebabkan tegasan pada sempadan fasa semasa penyejukan atau penggunaan berikutnya.
Atas sebab ini, dalam banyak aplikasi teknologi, usaha dilakukan untuk mengehadkan pembentukan FeB dan mendapatkan lapisan Fe₂B fasa tunggal.
Kekerasan lapisan boronis
Salah satu ciri terpenting lapisan borik ialah kandungannya yang sangat tinggi kekerasan.
Bergantung pada fasa, keadaan bahan dan proses, nilai mikrokekerasan lapisan borida mungkin lebih kurang dalam julat lebih kurang. 1200–2000 HVdan dalam sistem tertentu juga di luar julat ini.
| Lapisan atau struktur | Tahap kekerasan ciri |
|---|---|
| Fe₂B | Kekerasan yang sangat tinggi, biasanya dalam julat beberapa ratus HV |
| Feb | Kekerasan biasanya lebih tinggi daripada Fe₂B, tetapi lebih rapuh |
| Keluli yang dikeraskan | Kekerasan yang lebih rendah daripada salutan borida biasa |
| Teras elemen | Bergantung pada gred keluli dan rawatan haba sebelumnya |
Walau bagaimanapun, kekerasan yang tinggi bukanlah satu-satunya kriteria untuk menilai kualiti boriding. Ketebalan lapisan, keseragaman, kerapuhan, lekatan pada substrat dan kehadiran fasa FeB2 juga penting.
Suhu penggerudian
Penggerudian keluli biasanya dilakukan pada suhu yang agak tinggi, selalunya dalam julat kira-kira 800-1050 ° C.
Parameter yang tepat bergantung pada:
- jenis bahan,
- kaedah penggerudian,
- ketebalan lapisan yang diperlukan,
- geometri elemen,
- komposisi persekitaran penggerudian,
- struktur fasa lapisan yang diperlukan.
Suhu yang lebih tinggi meningkatkan kadar resapan boron dan membolehkan pertumbuhan lapisan yang lebih cepat, tetapi juga boleh menjejaskan struktur teras, saiz butiran, tegasan dan regangan komponen.
Pengaruh masa terhadap ketebalan lapisan berboron
Oleh kerana pemboronisasi merupakan proses resapan, ketebalan lapisan meningkat dengan masa proses.
Walau bagaimanapun, ini bukanlah hubungan linear. Dalam proses terkawal resapan, pertumbuhan lapisan biasanya hampir dengan parabola.
Secara ringkasnya, hubungan tersebut boleh ditulis seperti berikut:
di mana:
- x – ketebalan lapisan,
- k – pekali bergantung kepada, antara lain, suhu dan bahan,
- t – masa percubaan.
Ini bermakna penggandaan masa tidak secara automatik mengakibatkan penggandaan ketebalan lapisan.
Ketebalan lapisan boron
Bergantung pada teknologi dan aplikasi, lapisan boron mungkin setebal beberapa dozen hingga beberapa ratus mikrometer.
Bagi komponen yang tertakluk kepada lelasan yang kuat, ketebalan yang lebih besar mungkin diperlukan, manakala bagi bahagian yang tertakluk kepada beban dinamik, lapisan yang terlalu tebal dan rapuh mungkin merugikan.
Oleh itu, ketebalan lapisan optimum bergantung pada keadaan operasi sebenar elemen tersebut.
Kaedah penggerudian
Penggerudian boleh dijalankan menggunakan beberapa kaedah yang berbeza dari segi cara boron dihantar ke permukaan.
| Kaedah | Charakterystyka |
|---|---|
| Serbuk boring | Unsur tersebut diletakkan dalam campuran serbuk yang mengandungi sumber boron, pengaktif dan bahan pengisi. |
| Penggerudian tampal | Sediaan yang mengandungi bahan-bahan pengoron disapu terus pada permukaan unsur tersebut. |
| Penggerudian mandian | Proses ini dijalankan dalam persekitaran cecair yang mengandungi sebatian yang membolehkan penghantaran boron. |
| Penggerudian gas | Boron dibekalkan daripada atmosfera gas yang dipilih dengan betul |
| Penggerudian plasma | Pengangkutan dan pengaktifan komponen disokong oleh nyahcas cahaya dan plasma. |
Serbuk boring
Serbuk boring merupakan salah satu kaedah perindustrian yang paling terkenal.
Unsur tersebut diletakkan dalam campuran serbuk yang sesuai yang mengandungi sumber boron. Apabila dipanaskan pada suhu proses, komponen aktif terbentuk, membolehkan boron diangkut ke permukaan.
Kaedah ini agak mudah dari segi teknologi dan boleh digunakan untuk elemen pelbagai saiz dan bentuk.
Batasan termasuk masa proses yang agak lama, keperluan untuk membuang campuran sisa, dan kawalan pertumbuhan lapisan tempatan yang lebih sukar berbanding beberapa kaedah yang lebih maju.
Penggerudian tampal
W penggerudian pes satu sediaan yang mengandungi sebatian boron disapu pada permukaan unsur tersebut.
Kaedah ini mungkin berguna dalam kes:
- elemen bersaiz besar,
- penggerudian permukaan terpilih,
- bahagian-bahagian dengan geometri kompleks,
- rawatan permukaan tempatan.
Selepas menggunakan pes, elemen tersebut tertakluk kepada kitaran haba yang sesuai untuk membolehkan resapan boron.
Penggerudian plasma
Penggerudian plasma menggunakan persekitaran plasma aktif untuk menyokong pengangkutan boron ke permukaan.
Teknologi ini membolehkan kawalan proses yang lebih tepat dan boleh mengurangkan beberapa kecacatan yang lazim dalam kaedah tradisional.
Kelebihan proses plasma termasuk keupayaan untuk mengawal parameter permukaan, tetapi ia memerlukan peralatan teknologi yang lebih kompleks.
Pengaruh unsur pengaloi terhadap boronisasi
Komposisi kimia keluli mempunyai pengaruh yang ketara terhadap kinetik pertumbuhan, morfologi dan sifat lapisan terboronisasi.
| Unsur | Simbol | Kesan pada lapisan berboron |
|---|---|---|
| Węgiel | C | Ia mempengaruhi kinetik pertumbuhan lapisan dan perubahan yang berlaku di zon di bawah lapisan boron. |
| chrom | Cr | Ia mungkin terlibat dalam pembentukan borida aloi dan mempengaruhi kekerasan dan morfologi lapisan tersebut. |
| Nikel | Ni | Ia mempengaruhi kinetik resapan dan struktur lapisan dalam keluli aloi. |
| molibdenum | Mo | Boleh membentuk borida dan mempengaruhi sifat lapisan |
| Vanadium | V | Unsur pembentuk boron yang kuat; boleh menjejaskan komposisi fasa dan kekerasan lapisan |
| Tytan | Ti | Ia mempunyai afiniti yang tinggi terhadap boron dan boleh membentuk borida yang sangat keras. |
Dalam keluli aloi, lapisan tersebut mungkin bukan sahaja mengandungi borida besi, tetapi juga borida atau fasa kompleks yang berkaitan dengan kehadiran unsur pengaloi.
Keluli apa yang boleh digerudi?
Pelbagai jenis bahan ferus boleh digerudi, termasuk:
- keluli karbon rendah,
- keluli karbon sederhana,
- keluli struktur aloi,
- keluli untuk penambahbaikan haba,
- keluli alat terpilih,
- keluli tahan kakisan jika teknologi dipilih dengan betul,
- besi tuang.
Walau bagaimanapun, komposisi kimia bahan mempengaruhi kadar pertumbuhan lapisan, bentuk dan komposisi fasanya, oleh itu parameter yang dibangunkan untuk satu keluli tidak boleh dipindahkan secara automatik ke gred lain.
Pengorek dan pengkarbonan
Pemboronisasi dan pengkarbonan adalah proses tepu permukaan resapan, tetapi ia membawa kepada struktur yang berbeza secara asasnya.
| Ciri | Penggerudian | Pengkarbonan |
|---|---|---|
| Unsur | Bor B | Karbon C |
| Fasa permukaan utama | Fe₂B dan mungkin FeB | Lapisan yang diperkaya dengan karbon, kemudian dikeraskan dengan pelindapkejutan |
| Pengerasan selepas tepu | Ia bukanlah syarat asas untuk mendapatkan kekerasan borida yang tinggi. | Biasanya diperlukan untuk mendapatkan lapisan martensitik keras |
| Kekerasan lapisan | Sangat tinggi | Tinggi, tetapi biasanya lebih rendah daripada kekerasan lapisan borida |
| Odporność na ścieranie | Sangat tinggi | tinggi |
| Kruchość | Mungkin terdapat batasan yang ketara, terutamanya dengan kehadiran FeB | Biasanya lebih kecil dengan lapisan karburasi yang dibuat dengan betul |
Membosankan dan nitriding
Pemboronisasi juga boleh dibandingkan dengan nitriding.
| Ciri | Penggerudian | Nitriding |
|---|---|---|
| Unsur | Bor B | Nitrogen N |
| Fasa-fasa biasa | Fe₂B, FeB dan borida unsur pengaloi | Nitrida dan lapisan sebatian γ′/ε bergantung pada teknologi |
| Suhu proses | Biasanya lebih tinggi | Biasanya lebih rendah |
| Twardość | Sangat tinggi | Sangat tinggi, bergantung pada bahan |
| Deformasi | Risiko lebih tinggi disebabkan oleh suhu yang lebih tinggi | Biasanya kecil disebabkan oleh suhu proses yang lebih rendah |
| Odporność na ścieranie | Terutamanya tinggi dalam keadaan kasar | Rintangan tinggi terhadap haus dan keletihan permukaan |
Pemboronisasi dan nitrokarburisasi / nitrokarburisasi
Karbonitriding menghasilkan lapisan sebatian nitrogen dan karbon yang agak nipis dan zon resapan. Sebaliknya, boronidasi menghasilkan fasa borida yang sangat keras.
Penggerudian boleh memberikan kekerasan dan ketahanan yang lebih tinggi terhadap lelasan yang teruk, tetapi dilakukan pada suhu yang lebih tinggi dan mungkin melibatkan risiko kerapuhan dan perubahan dimensi yang lebih besar.
Oleh itu, pemilihan proses haruslah berdasarkan keadaan operasi sebenar dan bukan semata-mata pada kekerasan permukaan maksimum yang mungkin.
Kesan boriding terhadap rintangan haus
Sebab yang paling penting untuk menggunakan penggerudian ialah rintangan yang sangat tinggi terhadap haus kasar.
Borida keras mengehadkan penyingkiran bahan melalui:
- zarah mineral keras,
- pasir dan debu,
- bahan pukal,
- zarah yang terkandung dalam media yang diangkut,
- sentuhan gelongsor di bawah keadaan tribologi tertentu.
Oleh itu, pengeboran amat menarik dalam aplikasi di mana keluli yang dikeraskan secara klasik atau lapisan selepas rawatan permukaan lain haus terlalu cepat.
Rintangan kakisan lapisan boron
Lapisan borida boleh meningkatkan daya tahan bahan terhadap persekitaran kimia dan menghakis tertentu.
Walau bagaimanapun, ini tidak bermakna penggerudian secara automatik menyediakan universal odporność na korozję.
Tingkah laku bergantung kepada:
- jenis persekitaran,
- suhu,
- komposisi fasa lapisan,
- keliangan dan kesinambungan lapisan,
- jenis bahan substrat.
Oleh itu, rintangan kakisan perlu dinilai untuk persekitaran operasi tertentu.
Kerapuhan lapisan boronik
Sangat tinggi kekerasan borida dikaitkan dengan kapasiti terhad untuk ubah bentuk plastik.
Lapisan tersebut mungkin mudah retak apabila:
- beban kejutan yang kuat,
- ubah bentuk substrat yang ketara,
- tekanan sentuhan yang tinggi,
- ketebalan lapisan yang dipilih secara salah,
- kehadiran lapisan FeB yang terlalu tebal.
Oleh itu, teras elemen tersebut harus memberikan sokongan yang mencukupi untuk lapisan permukaan yang sangat keras.
Rawatan haba selepas penggerudian
Bergantung pada jenis keluli dan teknologi yang digunakan, penggerudian boleh digabungkan dengan kaedah selanjutnya rawatan haba.
Oleh kerana suhu pengotoran boleh berada dalam julat yang serupa dengan suhu yang digunakan semasa pengaustenisan kebanyakan keluli, kitaran teknologi boleh direka bentuk supaya sifat teras juga dibentuk dengan sewajarnya selepas pengotoran.
Walau bagaimanapun, ini memerlukan pemilihan parameter individu untuk jenis bahan tertentu.
Kawalan kualiti lapisan boron
Penilaian lapisan selepas penggerudian mungkin termasuk:
- pengukuran ketebalan lapisan,
- pemeriksaan metalografi,
- pengenalpastian fasa FeB dan Fe₂B,
- pengukuran kekerasan mikro,
- penilaian morfologi sempadan lapisan-substrat,
- pemeriksaan retakan dan ketakselanjaran,
- ujian rintangan haus,
- ujian rintangan kakisan, jika berkaitan dengan aplikasi.
Pengukuran kekerasan sahaja tidak mencukupi untuk menilai sepenuhnya kualiti lapisan. Lapisan yang mempunyai kekerasan yang sangat tinggi tetapi kerapuhan yang berlebihan atau struktur dua fasa yang tidak baik mungkin mempunyai prestasi yang lebih buruk daripada lapisan Fe₂B yang direka bentuk dengan betul.
Penggunaan penggerudian
Penggerudian terutamanya digunakan untuk komponen yang terdedah kepada haus yang kuat.
Aplikasi tipikal termasuk:
- skru dan silinder peralatan pemprosesan plastik,
- komponen pam,
- injap dan tempat duduk injap,
- sesendal dan pin,
- pemandu,
- elemen jentera pertanian,
- bahagian mesin perlombongan,
- elemen peranti yang mengangkut bahan pukal,
- alat pemprosesan plastik,
- mati dan menumbuk,
- bahagian yang terdedah kepada hakisan dan haus yang kasar.
Kelebihan penggerudian
- kekerasan permukaan yang sangat tinggi,
- rintangan lelasan yang sangat tinggi,
- rintangan yang tinggi terhadap haus kasar,
- kemungkinan meningkatkan ketahanan bahagian yang beroperasi dalam keadaan tribologi yang sukar,
- kestabilan fasa borida keras pada suhu tinggi dalam julat yang sesuai untuk bahan tertentu,
- boleh digunakan untuk pelbagai jenis keluli dan besi tuang.
Had penggerudian
- suhu proses yang agak tinggi,
- risiko ubah bentuk elemen,
- kerapuhan lapisan boron,
- lapisan FeB yang terlalu tebal mungkin amat tidak menguntungkan,
- kesesuaian terhad untuk beban impak berat,
- keperluan untuk penyediaan permukaan yang sesuai,
- pemprosesan mekanikal permukaan yang sukar selepas penggerudian kerana kekerasan yang sangat tinggi.
Membosankan – perbandingan dengan proses rawatan termokimia yang lain
| Proses | Elemen utama | Ciri lapisan | Ciri yang paling penting |
|---|---|---|---|
| Penggerudian | B | Borki Fe₂B / FeB | Kekerasan dan rintangan lelasan yang sangat tinggi |
| Pengkarbonan | C | Lapisan diperkaya C, kemudian dikeraskan dengan pelindapkejutan | Lapisan keras dan teras mulur |
| Nitriding | N | Nitrida + zon resapan | Kekerasan tinggi dengan ubah bentuk yang agak kecil |
| Nitrokarburisasi / nitrokarburisasi | N + C | Lapisan sebatian + zon resapan | Rintangan terhadap haus, penyitaan dan kemungkinan meningkatkan rintangan kakisan |
| Karbonitriding | C + N | Lapisan yang diperkaya dengan C dan N, kemudian dikeraskan | Lapisan keras selepas pengerasan |
Boronisasi ialah proses rawatan termokimia yang melibatkan penepuan resapan permukaan bahan dengan boron. Dalam kes keluli, ia terutamanya membawa kepada pembentukan borida besi yang sangat keras. Fe₂B dan FeB.
Lapisan yang paling diingini dalam banyak aplikasi ialah lapisan fasa tunggal. Fe₂B, memberikan rintangan lelasan yang sangat tinggi dengan kerapuhuan yang kurang berbanding lapisan yang mengandungi sejumlah besar FeB2.
Kelebihan penggerudian yang paling penting ialah kemungkinan untuk mendapatkan kekerasan yang sangat tinggi dan rintangan terhadap haus kasarOleh itu, proses ini digunakan dalam bahagian mesin yang beroperasi dalam keadaan kasar yang sangat teruk.
Pada masa yang sama, kekerasan borida yang tinggi dikaitkan dengan keplastikan yang terhad. Oleh itu, reka bentuk lapisan yang betul memerlukan kawalan ke atas ketebalan, komposisi fasa dan sifat substratnya.
Penggerudian tidak boleh disamakan dengan pengkarburisasian, nitriding atau nitrokarburisasi. Setiap proses ini menggunakan mekanisme yang berbeza untuk membentuk lapisan permukaan dan mencapai sifat fungsi yang berbeza.
Kaedah rawatan haba dan termokimia keluli
Pemboronisasi hanyalah salah satu proses yang digunakan untuk mengubah suai mikrostruktur dan sifat keluli. Bergantung pada kesan yang diingini, penormalan, pengurangan tekanan, pengerasan, pembajaan, dan sebagainya, serta proses termokimia seperti pengkarbonan, nitridasi dan lain-lain, juga digunakan.
Kaedah rawatan haba keluli
- Menormalkan keluli – penghalusan butiran dan penyatuan mikrostruktur.
- Penyepuhlindapan melegakan tekanan – pengurangan tegasan baki.
- Pelembutan keluli – mengurangkan kekerasan dan meningkatkan kerentanan terhadap pemprosesan selanjutnya.
- Penyepuhlindapan penuh – austenitisasi dan penyejukan perlahan.
- Penyepuhlindapan isoterma – transformasi dijalankan semasa mengekalkan pada suhu yang dipilih dengan betul.
- Penyepuhlindapan bebola – pembentukan sferoid – perubahan dalam morfologi simentit atau karbida lain.
- Penyepuhlindapan penghabluran semula – penyingkiran kesan penghancuran dan pemulihan keplastikan.
- Penyepuhlindapan homogenisasi – mengurangkan pengasingan dan menyeragamkan komposisi bahan.
- Pengerasan dan rawatan haba – membentuk mikrostruktur dan sifat-sifatnya melalui pengerasan dan pembajaan.
- Keluli pembajaan – pengubahsuaian terkawal sifat keluli selepas pengerasan.
- Pengerasan induksi – pemanasan aruhan permukaan dan penyejukan pantas.
- Pengerasan api – pengerasan permukaan selepas pemanasan setempat dengan nyalaan api.
- Terlalu tepu – memperoleh larutan pepejal lampau tepu melalui kitaran haba yang sesuai.
- Penuaan – pemisahan fasa terkawal yang membawa kepada pengukuhan bahan.
Kaedah rawatan termokimia keluli
- Nitriding keluli – pengayaan resapan lapisan permukaan dengan nitrogen.
- Keluli pengkarbonan – pengayaan resapan permukaan dengan karbon.
- Karbonitriding – pengayaan serentak lapisan permukaan dengan karbon dan nitrogen.
- Nitrokarburisasi / nitrokarburisasi – pengayaan lapisan terutamanya dengan nitrogen dan karbon.
- Penggerudian – ketepuan resapan permukaan dengan boron.
- Penyaduran krom penyebaran – pengayaan resapan lapisan dengan kromium.
- Aluminisasi penyebaran – pengayaan resapan lapisan dalam aluminium.