Термическая обработка деталей машиностроения в натрий-бор-силикатных расплавах

Московский государственный технический университет  
имени Н.Э. Баумана 

А.С. Помельникова, С.А. Герасимов  
 
 
 
ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА  
ДЕТАЛЕЙ МАШИНОСТРОЕНИЯ  
В НАТРИЙ-БОР-СИЛИКАТНЫХ  
РАСПЛАВАХ 
 
 
Рекомендовано редсоветом МГТУ им. Н.Э. Баумана 
в качестве учебного пособия по дисциплине  
«Технология термической обработки» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

М о с к в а  

Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана 

2 0 0 7  

УДК 621.78(075.8) 
ББК 34.651 
П551 
Рецензенты: В.П. Ступников, В.П. Конев  

 
Помельникова А.С., Герасимов С.А. 
 
Ч 24 
 
Термическая обработка деталей машиностроения в натрий-
бор-силикатных расплавах: Учеб. пособие по дисциплине «
Технология термической обработки». — М.: Изд-во 
МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007. — 46 с.: ил.  

 
 
 
ISBN 978-5-7038-3095-6 
В пособии дано представление о современных безокислитель-
ных и травящих средах, применяемых для нагрева при термической 
обработке. Показано, что эффективность выбора среды для термической 
обработки деталей из конкретных сталей непосредственно 
связана с ее физико-химическими и технологическими свойствами. 
Рассмотрены особенности термической обработки деталей машиностроения 
из различных сталей с нагревом в жидкой среде — 
натрий-бор-силикатных расплавах. Описано влияние способа нагрева 
на механические свойства деталей из коррозионно-стойкой, шарикоподшипниковой, 
быстрорежущей и других сталей. 
Для студентов 4-го курса факультета «Машиностроительные 
технологии», изучающих дисциплину «Технология термической обработки». 

УДК 621.78(0.75.8) 
ББК 34.651 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ISBN 978-5-7038-3095-6                                        © МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007 

 
П551 

ВВЕДЕНИЕ 

Учебное пособие написано в соответствии с программой специального 
курса «Технология термической обработки», читаемого студентам 4-го 
курса специальностей 150501 (120800) «Материаловедение в машиностроении» 
и 150601 (071000) «Материаловедение и технология новых 
материалов», которые ранее прослушали курс общего материаловедения, 
физической химии, теории термической обработки. 
Известно, что нагрев стали при термической обработке и пластической 
деформации обычно сопровождается интенсивным окислением, обезуглероживанием 
и обеднением поверхностных слоев изделий легирующими 
элементами, что приводит к большим потерям металла, ухудшению его 
качества и эксплуатационных свойств изделий. Удаление окалины осуществляется 
специальным технологическим процессом с применением вредных 
и дорогостоящих кислот для травления, связано с потерями металла и 
образованием отходов, которые не поддаются утилизации и обезвреживанию 
и ухудшают экологическое состояние среды.  
Методы борьбы с окислением и обезуглероживанием весьма разнообразны. 

В пособии приведены данные по использованию жидких безокисли-
тельных и травящих сред, эффективность выбора которых для термической 
обработки конкретных сталей непосредственно связана с физико-
химическими и технологическими свойствами. Показана перспективность 
использования конкретной жидкой среды — натрий-бор-силикатных расплавов 
для термической обработки различных деталей. 
В гл. 1 пособия даны сведения о безокислительных и травящих средах 
для нагрева при термической обработке. 
В гл. 2 приведены характеристики натрий-бор-силикатных расплавов, 
их физико-химические и технологические свойства и методика выбора 
оптимальных составов такой жидкой среды на примере различных групп 
сталей. 
В гл. 3 рассмотрены особенности термической обработки деталей 
машиностроения из различных сталей с нагревом в натрий-бор-
силикатных расплавах. Показано влияние способа нагрева на механические 
свойства изделий из коррозионно-стойких, шарикоподшипниковых, 
быстрорежущих и других сталей.  

1. СВЕДЕНИЯ О БЕЗОКИСЛИТЕЛЬНЫХ  
И ТРАВЯЩИХ СРЕДАХ ДЛЯ НАГРЕВА  
ПРИ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ 

Потери металла с окалиной, вызванные высокотемпературной 
газовой коррозией, составляют около 5…6 % от всей получаемой в 
мире стали [1]. 
Помимо окисления газы печной атмосферы приводят к обезуглероживанию 
и обеднению поверхностных слоев стали легирующими 
элементами (угар), что также способствует снижению 
коэффициента использования металла за счет удаления дефектных 
слоев и повышению себестоимости термически обрабатываемой 
продукции. Так, при нагреве жаропрочных сплавов в 
интервале температур 1150…1220 °С [2] глубина обедненного 
легирующими элементами слоя достигает 50…300 мкм, что 
приводит к снижению механических и антикоррозионных 
свойств изделий из них.  
Окисленный слой металла с изделий, подвергнутых термической 
обработке, чаще всего удаляют травлением в кислотах и щелочах. 
Химическое травление значительно усложняет и удорожает 
производство и также связано с потерями металла. Этим объясняется 
большое внимание, уделяемое проблеме безокислительного 
нагрева стали и разработке новых сред для предупреждения и удаления 
окалины. 
Применяемые методы борьбы с окислением и обезуглероживанием 
подразделяют  на две группы [3]. К первой группе относят 
методы, которые способны уменьшить угар в 1,5 – 2,0 раза, но не 
ликвидировать его полностью: 
– улучшение условий эксплуатации печей; 
– автоматизация управления тепловым режимом; 
– усовершенствование процесса сжигания топлива;  
– применение скоростного нагрева и т. п. 

К второй группе относят более эффективные методы, позволяющие 
полностью или почти полностью обеспечить защиту поверхности 
металла. Это методы нагрева в различных средах: 
– в продуктах неполного сжигания топлива, в печах с двух- и 
многостадийным сжиганием топлива, обогащение атмосфер солями 
лития, бора и других элементов;  
– в кипящем слое; 
– в контролируемых средах и вакууме; 
– в расплавах солей; 
– в силикатных и боратных расплавах и покрытиях на их основе. 

Остановимся на некоторых методах второй группы. 
Нагрев в кипящем слое, сочетающий в себе преимущества скоростного 
и безокислительного методов [4] и позволяющий нагревать 
изделия равномерно со скоростью в 1 – 3 раза выше, чем в 
пламенных печах, до настоящего времени не получил широкого 
промышленного применения. 
Интенсивно снижается окисление и обезуглероживание сталей 
при добавлении к защитным атмосферам солей лития, хлоридов 
алюминия, хрома, кремния и бора [5 – 8]. В экономическом отношении 
этот метод выгоден только для нагревания высоколегированных 
сталей. 
Нагрев в защитных средах широко распространен в промышленности. 
При использовании контролируемых сред поверхность 
изделий не окисляется, в поверхностных слоях конструкционных 
сталей сохраняется заданная концентрация углерода и легирующих 
элементов, а в изделиях из специальных сплавов в 2 – 3 раза 
сокращается глубина измененного по химическому составу слоя. 
Однако применение печей с контролируемыми средами связано 
со сложностью их герметизации при выгрузке садки, трудностями 
при очистке газов до содержания в них выше 10–4 % остаточного 
кислорода. При очистке до 10–4 % на поверхности коррозионно-
стойких и жаропрочных сплавов появляются оксидные 
пленки толщиной 20…50 мкм, а также наблюдаются большие 
расходы газа. Наиболее существенным недостатком является 
окисление поверхности изделий после выгрузки из печи. При нагреве 
выше 900 °С защитная среда начинает взаимодействовать с 
кладкой печи.  

Нагрев в расплавах солей применяют при термической обработке 
с давних пор [9 – 13]. При температурах выше 600…700 °С 
нашли применение главным образом чистые хлористые соли бария, 
натрия, калия или их смеси. К достоинствам обработки в солях 
относят большую скорость и равномерность нагрева изделий, 
высокую чистоту поверхности, защиту от окисления и обезуглероживания, 
однако в контакте со сталью при высоких температурах 
галоидные соли разлагаются, вызывая коррозию обрабатываемых 
изделий. Соли щелочных и щелочно-земельных металлов на 
границе с воздухом вступают в реакцию с кислородом и растворенными 
в расплаве газами, образуя оксиды и карбонаты, что приводит 
к обезуглероживанию поверхности. Даже незначительное 
содержание оксидов железа в расплавах солей (0,2…0,5 %) [14] 
резко увеличивает глубину обезуглероженного слоя. Это приводит 
к ухудшению качества термически обрабатываемых изделий, снижению 
их предела выносливости, появлению трещин при закалке.  
С состоянием поверхности тесно связаны закаливаемость и 
прокаливаемость [15]: максимальная твердость соответствует нагреву 
в среде, исключающей обезуглероживание. Имеются сведения 
о межкристаллитной коррозии на деталях после нагрева в соляных 
ваннах [7].  
К недостаткам солей следует отнести плохое смачивание поверхности 
детали расплавом, окисление поверхности кислородом 
воздуха при извлечении из ванны. Оксидная пленка способствует 
пригару масла, что ухудшает чистоту обрабатываемой поверхности. 
Галоидные соли обладают высокой упругостью пара при рабочих 
температурах, для удаления токсичных паров и газов требуется 
мощная вытяжная вентиляция. Незначительное количество 
влаги, внесенное с деталями в ванну, вызывает выбросы расплавленной 
соли. Большим недостатком является и высокая стоимость 
солей, вследствие чего их применяют только при термической обработке 
особо ответственных изделий. 
Известны два способа использования силикатов [16]: нагрев в 
их расплавах и нанесение суспензионных покрытий на изделия 
перед нагревом. Важным достоинством первого способа является 
возможность использования для многих сталей и сплавов: углеродистых, 
низколегированных, высоколегированных и легкоокис-
ляющихся 
металлов 
в 
большом 
температурном 
интервале  

(до 1600 °С) [3, 16, 17]. В отличие от соляных ванн ванны с силикатным 
расплавом не реагируют на попадание в них воды. Закалка 
погружением в воду или масло изделий с силикатной пленкой не 
сопровождается выбросами и разбрызгиванием. Защитное действие 
расплава и силикатной пленки на металле заключается в интенсивном 
снижении скорости диффузии кислорода воздуха в поверхность 

металла, 
что 
уменьшает 
высокотемпературную 
коррозию. Пленка защищает поверхность металла от окисления и 
при транспортировке, разрушаясь лишь при низких температурах. 
Это важно, так как только в процессе деформирования и охлаждения 
заготовок угар достигает 1 %. 
Впервые способ нагрева металла в расплаве силикатов (в бое 
оконного стекла) в промышленном масштабе применен фирмой 
Fiav Mazzachera (Милан, Италия), которая использовала его для нагрева 
заготовок из углеродистой стали перед прессованием [18]. 
Стоимость такого нагрева оказалась в 18 раз ниже по сравнению со 
стоимостью нагрева заготовок в соляной ванне. Работы по нагреву в 
силикатных расплавах проводились и в других странах [19 – 21].  
При использовании силикатных расплавов в качестве безокис-
лительной защитной среды возникают некоторые сложности  
[14, 22 – 27]. К их числу относят: 
– необходимость использования печей специальной конструкции; 
– загрязнение ванны оксидами железа и необходимость ее замены 
после определенного времени работы; 
– трудности использования способа для нагрева крупногабаритных 
заготовок и деталей.  
Расплавы 
должны 
обладать 
определенными 
физико-
химическими и технологическими свойствами. К силикатным расплавам 
предъявляют следующие требования: 
– высокая насыщающая способность при поверхностном упрочнении; 
– 
химическая нейтральность к нагреваемому металлу при термической 
обработке; 
– отсутствие окисления и обезуглероживания; 
– минимальное взаимодействие с футеровкой печи;  
– отсутствие кристаллизации в рабочем интервале температур, 
т. е. при химико-термической и термической обработке; 
– плавное изменение вязкости с изменением температуры; 

– обеспечение хорошей смачиваемости и минимальной толщины 
пленки на изделии при выгрузке из расплава (не более 0,1…0,3 мм); 
– коэффициент теплового расширения и адгезии материала покрытия (
расплава) к поверхности изделий при их охлаждении должен 
обеспечивать быстрое и легкое удаление пленки с поверхности 
последних; 
– расплав не должен ухудшать экологическое состояние внешней 
среды (в нем не должно быть токсичных летучих компонентов); 
– экономичность используемой среды (невысокая стоимость и 
недефицитность компонентов, составляющих расплав). 
В табл. 1 приведены составы расплавов, которые можно использовать 
как для безокислительного нагрева при термической обработке, 
так и в качестве насыщающей среды (при введении соответствующих 
добавок) для поверхностного упрочнения сталей и сплавов.  
Большинству из перечисленных требований удовлетворяют 
синтетические шлаки АН-ШТ1 и АН-ШТ2, разработанные в Институте 
электросварки им. Е.О. Патона. Интервал рабочих температур 
шлака АН-ШТ1 составляет 900…1100 °С, шлака АН-ШТ2 — 
800…900 °С, вязкость в этих интервалах не превышает 8 П.  
По приведенным в [26] данным, шлаки хорошо смачивают поверхность 
различных деталей и спонтанно удаляются при закалке, 
легко растворяясь в воде. При обработке в этих шлаках различных 
классов 
сталей 
(углеродистые, 
легированные, 
коррозионно-
стойкие) полностью отсутствует окисленный и обезуглероженный 
слой, не происходит обеднения поверхностных слоев металла легирующими 
элементами. Кроме того, как указывает Е.И. Фрумин 
[22], после термической обработки в шлаках улучшаются механические 
и пластические характеристики. Скорость нагрева в шлаках 
при интенсивном перемешивании приближается к нагреву в соли. 
Закалочные деформации сопоставимы с таковыми при термической 
обработке в солевых расплавах. 
Однако шлаки имеют и недостатки, к числу которых относят 
узкий интервал рабочих температур, не позволяющий использовать 
их для термической обработки быстрорежущих сталей, и относительно 
низкий предел насыщения оксидами железа и хрома 
(по данным авторов [26], до 4…5 %), не допускающий использование 
шлаков для термической обработки изделий с окисленной 
поверхностью. 

Таблица 1 
Химический состав жидких сред (расплавов)  

Массовая доля, % 
Среда  
(расплав) 
Na2O 
K2O 
MgO 
CaO 
BaO 
B2O3 
Al2O3 
SiO2 
Прочие 
Источник 


1П 
24 
— 
4 
18 
— 
— 
— 
58 
— 
[3] 

10C 
15 
— 
— 
5 
— 
20 
8 
60 
— 
[3] 

291a-4-1 
20,0 
— 
— 
10,4 
10,0 
— 
1,5 
44,6 
F 3,5 
[3] 

269a 
— 
25 
5 
— 
20 
10 
— 
40 
— 
[3] 

18 
Σ16 
2 
5 
— 
1 
1,5 
72,5 
PbO 2,0 
[7] 

19 
Σ11 
3 
5 
— 
2 
3,0 
65 
ZnO 11 
[7] 

203 
— 
— 
— 
4 
— 
— 
— 
43 

ZnO 43,0,  
PbO 2,5,  
TiO2 5,0, 
прочие 2,5 

[7] 

42 
— 
— 
— 
— 
30 
30 
— 
40 
— 
[7] 

87 
Σ1-5 
— 
— 
— 
70-85 
5-Feb 
— 
PbO 5–10,  
прочие 1–5 
[7] 

291a 
25,0 
— 
5,0 
9,3 
9,0 
— 
1,5 
47,7 
F 2,5 
[17] 

291b 
18,0 
— 
5,0 
15,0 
5,0 
10,0 
1,5 
42,2 
F 3,5 
[17] 

— 
Σ(Na2O +  
+ K2О + Li2О) 
— 
— 
5–15 
10–30 
2–8 
25–50
F 0–8,  
Σ(Fe2O3 + Cr2O3) 
0–1 
[21] 

 

 
 
Окончание табл. 1 

Массовая доля, % 
Среда  
(расплав) 
Na2O 
K2O 
MgO 
CaO 
BaO 
B2O3 
Al2O3 
SiO2 
Прочие 
Источник 


АН-ШТ1 
23,5–
27,5 
1,0–2,8 
— 
— 
— 
Остальное 
— 
— 


F 0,8–2,8,  
Σ(Fe2O3 + Cr2O3) <
< 0,5, Li2O 0,12, 
ZrO2 1,2–2,8 

[22] 

АН-ШТ2 
16,5–
18,5 
11,5–
13,5 
— 
— 
— 
Остальное 
— 
— 


F 0,8–3,0, Σ(Fe2O3 
+ Cr2O3) < 0,5, 
Li2O 3,8–4,4, ZrO2 
1,5–2,5 

[22] 

P-2 
19–22 
6,21–
6,5 
0,4–0,83 
1,12–
1,21 
0,34 
30,02–
30,7 
2,76–
3,05 
37–
37,4 

Fe2O3 0,05–0,10, 
TiO2 0,04,  
ZnO 0,09 
[23, 25] 

P-3 
16,1–
17,0 
4,53–
5,6 
2,13–2,42
2,25 
1,9–
2,04 
49,7–
50,32 
0,18 
17,92
Fe2O3 0,09,  
TiO2 0,04,  
ZnO 2,1–2,37 
[23, 25] 

1 
Σ32,37 
0,10 
6,85 
— 
— 
1,00 
58,93
— 
[34] 

2 
Σ25,70 
0,42 
6,52 
 
— 
2,02 
62,22
Fe2O3 3,6 
[34]