Труды КНЦ вып.5 (ХИМИЯ И МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ вып. 5/2015(31))

ELECTROLYTIC THERMAL DIFFUSION BORONIZING OF STEELS Ya.B. Chernov1, E.S. Filatov12, K.R. K arim ov1, V.V. C hebykin1 1Institute of High-Temperature Electrochemistry o f the Ural Branch o f the RAS, Yekaterinburg, Russia 2Ural Federal University, Yekaterinburg, Russia Abstract We have investigated the process of thermal diffusion boriding in the melt on the basis of calcium chloride with the addition of boron oxide with the use of reversed current, and determined core temperature, concentration and current process parameters. Metallographic method was employed to determine the phase composition of the coating. Keywords: molten salt, calcium chloride, boron oxide, reversionary current, current density, coating phase composition. Введение Различные способы электролизного борирования стальных деталей в расплаве буры (Na 2 B 4 O7) известны давно [1, 2]. Реверсированный ток при этом используется для интенсифкации процесса борирования. Однако недостатком таких способов является метод - это, прежде всего, использование дорогостоящего порошка бора, а также то, что расплав буры является тугоплавким и, кроме того, токсичным. Расплав буры растворяет кирпичную футеровку электродной соляной ванны, делая невозможным использование таких ванн. По этой причине борирование в расплаве буры проводят в печах-ваннах сопротивления, потребляющих значительно больше электроэнергии. Установлено, что наибольший эффект интенсификации борирования стали в расплаве буры наступает при следующих параметрах импульсов: анодного та = 0.4с; катодных тк = 0.8 с; 1.4 с; 1.8 с, при плотности тока в катодном импульсе ік = 0.2-0.4 А/см2, в анодном іа < 0.2 А/см2. Оптимальный период реверсирования составляет 1 . 2 ^ 2 с, общая длительность электролиза - 2 ч. Известен также способ циклического электролизного борирования углеродистых сталей в расплаве буры [3, 4]. Суть этого способа заключается в прерывании тока электролиза с последующей паузой, при этом длительность токового импульса вдвое больше длительности паузы, например, ток 40-60 мин., затем пауза 20-30 мин. Катодная плотность тока поддерживается постоянной на уровне 0.2 А/см2. Температура процесса не выше 920оС, так как при более высоких температурах происходит рост зерен стали и ухудшение механических свойств детали в целом. В результате такого способа интенсификации скорость роста боридного слоя увеличивается на 10-15%. Но боридный слой менее хрупкий, так как он состоит из низшего борида Fe 2 B. Интенсификация процесса борирования объясняется тем, что во время паузы пассивирующий осадок разрыхляется, улучшая доступ ионов бора к поверхности стали с последующим разрядом до состояния адсорбированных атомов, способных к диффузии в приповерхностный слой стали с образованием диффузионного слоя. Исходя из современных представлений электрохимии оксидных расплавов, в основе процесса борирования лежит реакция разряда ионов В3+из комплексов [B 4 O 7 ]2- на поверхности железного (стального) катода: 2Na+ + [B 4 O 7 ]2- + 6 e- -► 2Bo + Na 2 B 2 O 4 j + 3O2-. Из реакции видно, что образование тугоплавкого метабората натрия Na 2 B 2 O 4 происходит одновременно с образованием атомов бора, диффундирующих в железо. Скорости диффузии бора в железо соответствует определенная предельная катодная плотность тока порядка 0.03-0.05 А/см2: если она превышена, то избыточные атомы бора образуют кристаллы, которые вместе с метаборатом формируют на поверхности катода и вблизи нее пассивационный слой, который растет в толщину и постепенно снижает величину тока электролиза до неприемлемо низких величин, фактически прекращая процесс борирования. На основе изучения известных методов борирования и сравнения их достоинств и недостатков в настоящей работе исследован способ борирования в расплаве CaCl 2 с добавкой оксида бора B 2 O3. Доля галогенида составляет 95 ... 99 мас. %, доля оксида бора - 1 ... 5%. Процесс борирования проводился с помощью реверсированного постоянного тока. Оптимальные величины катодной и анодной плотностей тока составляли 0.2 А/см2. Катодом являлась насыщаемая поверхность, анодом - графит. Для проведения экспериментов по борированию с реверсированием тока была создана установка, состоящая из программатора ПР - 8 и выпрямителя тока на 10 А. В корундовый тигель наплавлено при температуре 900°С 800 г предварительно просушенного при 200°С хлорида кальция (CaCl 2 ), в расплав добавлен плавленый оксид бора (B 2 O 3 ) в количестве 25 г из расчета 1% (вес.) бора (В) - 7.5 г. В расплав вставлен катод из Ст.20 площадью 10 см 2 и графитовый анод площадью 40 см2. Для раскисления расплава проведен очистной электролиз при катодной плотности тока ік = 0.2 а/см2, т = 20 мин. Ток электролиза і к=2 А. На поверхности расплава началось бурное появление вспышек водорода (вскипание), постепенно расплав “успокоился”, выделение вспышек прекратилось через 15 мин. Расплав готов к эксперименту. Для проведения экспериментов был выбран режим, при котором происходит интенсификация электролизного борирования сталей [3], т.е.: ік= 0.2 а/см2, т = 1.5 с и іа= 0.2 а/см2, т = 0.4 с. Результаты представлены в табл. Из таблицы видно, что после 10 ч работы расплава (электролиз с реверсированием тока) начинается уменьшение боридных слоев и увеличение пористости по всей толщине фазы FeB. 301