CC BY
138
УДК 621.785.5
БОРИРОВАНИЕ УГЛЕРОДИСТЫХ И ЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ
В КИПЯЩЕМ СЛОЕ
Канд. техн. наук КУХАРЕВА Н. Гинж. ПЕТРОВИЧ С. Н.1, кандидаты техн. наук ГАЛЫНСКАЯН. А.1}, ПРОТАСЕВИЧВ. Ф.1), магистрант СМИРНОВА Т. Н.2)
'■'Белорусский национальный технический университет, 2)ИПНК НАН Беларуси
Ряд деталей, определяющих ресурс работы машин, механизмов и инструментальной оснастки, работает в условиях интенсивного изнашивания. Применение защитных покрытий, в частности боридных, полученных химико-термической обработкой из порошковых смесей при традиционном печном нагреве, позволяет повысить надежность и долговечность этих изделий.
Научно-исследовательская лаборатория упрочнения стальных изделий БНТУ разработала и успешно внедряет на белорусских предприятиях металлотермические порошковые среды для процесса борирования. Эти смеси отличаются от других порошковых сред низкой энергоемкостью получения, большой кратностью использования (от 4 до 20 раз), высокой скоростью формирования зоны упрочнения, возможностью получать покрытия с регулируемыми фазовым и химическим составами. Однако длительность процесса, которая составляет 8-10 ч, является основным недостатком этих смесей.
В ряде работ [1-4] показано, что применение кипящего слоя при борировании из порошков сокращает продолжительность процесса от 2 до 20 раз, снижает энергозатраты на 1 т изделий от 2 до 12 раз и уменьшает расход порошка в 10 раз.
Цель настоящей работы - исследование возможности проведения термодиффузионного бо-рирования из металлотермических порошковых сред в кипящем слое, изучение строения, фазового и химического составов и свойств полученных боридных покрытий.
Термодиффузионную обработку в кипящем слое осуществляли в модернизированной печи БР 700, схема которой представлена на рис. 1. Псевдоожижение химически активной засыпки, в качестве которой использовали порошковую
металлотермическую среду для двухфазного борирования, достигалось аэродинамическим способом и (или) посредством механической вибрации. Насыщающую среду получали методом внепечной металлотермии из оксидов алюминия, бора, циркония, хрома, меди и порошка алюминия [5]. Исследования проводили на образцах из сталей 20, 4Х5МФС и Х12МФ.
Защитный газ -
Газ для псевдоожижения
12
9
10 8
Рис. 1. Схема установки с печью типа FP 700 (с кипящим слоем): 1 - корпус печи с нагревательными элементами; 2 - нагревательная камера; 3 - реторта (флюидизатор); 4 - опора реторты с пружинами; 5 - засыпка исследуемой порошковой среды; 6 - газораспределительная решетка и подводящие трубки; 7 - ротаметры (регуляторы потока газов защитных и для псевдоожижения); 8 - электровибратор для псевдоожижения механической вибрацией; 9 - крышка флюидизатора; 10 - регулятор температуры засыпки порошковой среды; 11 - термопары, контролирующие нагрев печи; 12 - вытяжная вентиляция
Металлографические исследования проводили при использовании оптического микроскопа Olympus 1X70 и электронного микроскопа Hitachi S-3500N, оборудованного энергодисперсионным рентгеновским спектрометром EDS
■■ Наука итехника, № 5, 2012
4
фирмы Thermo Noran. EDS-анализ использовали для определения химического состава поверхности диффузионных слоев, полученных на образцах, с помощью характеристического рентгеновского излучения атомов. Для металлографических исследований использовали также микроскоп Axiovert 200 MAT фирмы Carl Zeiss. Микроструктуры записывали в цифровом виде с использованием фотокамеры AxioCam MRc5.
Анализ микроструктуры и измерение толщины полученных диффузионных слоев выполняли на металлографическом микроскопе на поперечных шлифах. Вырезанные образцы заливали акриловой смолой (Duracryl Plus), а затем шлифовали на шлифовальной бумаге с уменьшением размера зерна. Шлифованные поверхности полировали с использованием алмазной пасты. Приготовленные шлифы подвергали химическому травлению 3%-м раствором HNO3 в C2H5OH.
Дифракционные картины снимали на двух дифрактометрах: D8Advance и Simens D500 при использовании медного и кобальтового характеристического излучения с монохромати-зацией Kai. Для фокусировки лучей в рентгеновском гониометре использовали методы Брэгг-Брентано и малоуглового рассеяния рентгеновских лучей при скользящих углах падения луча с постоянным углом падения a = 5° или a = 3°.
Поверхностную твердость и распределение твердости в диффузионном слое определяли методом Vickers при нагрузках массой 100 и 200 г.
При исследовании износостойкости использовали трехвалковый метод, согласно польскому нормативу PN-83/H-04302, на установке I-47-K-54. На рис. 2 показан вид машины и об-
разцов. Испытания проводили в условиях трения - скольжения при нагрузках 50, 100, 200 и 400 МПа. В качестве смазки использовали масло ЬиХ-10, скорость подачи которого составляла 30 капель в минуту. На основании полученных результатов были построены графики Лоренца.
На первом этапе исследований для осуществления процесса борирования порошковую смесь в количестве ~100 см (высота слоя ~10 см), помещенную в реторту диаметром 3,7 см, нагревали в печи до температуры обработки 950 °С при включенной вибрации. После прогрева смеси образцы закладывали в реторту и выдерживали 6 ч. Затем вынимали реторту с образцами из печи, а после снижения температуры до 300 °С извлекали образцы из порошка на воздух.
Микроструктуры диффузионных бориро-ванных слоев, полученных в кипящем слое, представлены на рис. 3. На исследуемых сталях образуются диффузионные слои, не имеющие характерного игольчатого строения и двухфазной структуры, как при борировании из этих же смесей при традиционном печном нагреве в контейнерах с плавким затвором.
Так, при температуре борирования 950 °С в течение 6 ч на образцах, обработанных при традиционном печном нагреве в контейнерах с плавким затвором из порошковой среды для двухфазного борирования, формируются двухфазные слои [6]. На стали 20 образуется слой толщиной 400 мкм с микротвердостью по глубине слоя от 1290 до 2010 ИУ0,1 (рис. 4), на стали 4Х5МФС - 140 мкм с микротвердостью от 1780 до 2290 ИУ0,1 и на стали Х12МФ -90 мкм с микротвердостью 1890 НУ0,1.
б
Рис. 2. Общий вид установки и образцы, используемые при испытании износостойкости трехвалковым методом: а - установка 1-47-К-54; б - комплект образцов для исследований
^Ж Наука
итехника, № 5, 2012
а
в
Рис. 3. Микроструктуры борированных слоев, полученных в кипящем слое: а - сталь 20; б - сталь 4Х5МФС; в - сталь Х12МФ
Проведенный ЕБ8-анализ образцов, бори-рованных в кипящем слое, показал наличие в поверхностных слоях на стали 20 сложного оксида алюминия Л15(Б03)06, что свидетельствует об окислении поверхности в процессе насыщения, а на сталях 4Х5МФС и Х12МФ - бори-да Ре2В.
Рис. 4. Микроструктура диффузионного слоя, полученного при традиционном печном нагреве, х300
Поверхностная твердость борированных в кипящем слое сталей составила: 1500 НУ0,1 -на стали 20, 1400 НУ0,1 - на стали 4Х5МФС и 1260 НУ0,1 - на стали Х12МФ. Содержание бора в поверхностном слое на стали 20, по данным ББ8-анализа, не превышало 4,79 мас. %, а на легированных сталях 4Х5МФС и Х12МФ -7,10 и 7,55 мас. % соответственно. Такое со-
держание бора в поверхностных слоях свидетельствует о недостаточной мощности диффузионного источника.
Проведенные исследования показали, что структура и фазовый состав боридных слоев, полученных на исследуемых сталях в кипящем слое из порошковой среды для двухфазного борирования, отличаются от структуры и фазового состава слоев, формирующихся при традиционном печном нагреве в контейнерах с плавким затвором. Эти слои имеют пониженную микротвердость, что объясняется фазовым составом и структурой полученного бориро-ванного слоя. Особенности фазового состава и структуры слоя связаны, с одной стороны, с большой скоростью диффузии бора в глубь стали благодаря быстрому нагреву до весьма высоких температур, а с другой - с меньшей активностью применяющейся насыщающей бор-содержащей среды из-за отсутствия плавкого затвора. В результате этого в поверхностных слоях стали не успевает создаваться концентрация бора, необходимая для образования зоны боридов, как при печном нагреве под плавким затвором.
Получить боридные слои традиционных состава и свойств на исследуемых сталях в кипящем слое возможно изменением либо состава металлотермической борирующей порошковой среды, либо схемы обработки в кипящем слое, в том числе и способа флюидизации.
■■ Наука итехника, № 5, 2012
В настоящем исследовании была предпринята попытка получить на исследуемых сталях из металлотермической порошковой среды в кипящем слое традиционные боридные слои путем изменения схемы обработки. При этом процесс насыщения осуществляли в реторте диаметром 10 см, количество порошковой смеси составляло ~1200 см3 (высота слоя ~15 см).
По первой схеме процесс осуществляли следующим образом: включали механическую вибрацию, после нагрева до температуры обработки загружали образцы, выдерживали при температуре 950 °С в течение 6 ч, поднимали образцы над слоем внутри реторты без подачи защитного газа и после одночасовой выдержки доставали образцы из реторты на воздух.
Во втором варианте флюидизация порошковой среды достигалась продувкой азота. Температура борирования составляла также 950 °С, время - 6 ч. Охлаждение образцов в кипящем слое с флюидизацией азотом в течение ~2,5 ч проводили до температуры ~720 °С, затем выключали азот и охлаждали с печью ~13 ч до температуры ~340 °С, после чего извлекали образцы из реторты.
В третьем варианте вначале включали механическую вибрацию, сразу загружали образцы и нагревали в кипящем слое до 950 °С, затем включали флюидизацию эндогазом, после выдержки в течение 6 ч образцы извлекали из кипящего слоя вверх при сохранении защитной эндотермической атмосферы в течение 1 ч, после чего образцы вынимали из реторты на воздух.
Для дальнейших исследований была выбрана третья схема обработки, что обусловлено большей толщиной диффузионного слоя, формирующегося в этих условиях на исследуемых сталях. Температура химико-термической обработки составляла 950 °С, время выдержки - 8 ч.
Проведение борирования исследуемых сталей 20, 4Х5МФС и Х12МФ в кипящем слое при вышеуказанных условиях не позволило получить характерную игольчатую структуру. Твердость боридного слоя также ниже, чем при традиционной обработке в контейнере с плавким затвором (рис. 5-7), что связано с уменьшением мощности диффузионного источника за счет снижения давления в контейнере при отсутствии плавкого затвора и соответственно изменением состава парогазовой фазы.
На рис. 8, 9 представлены результаты испытаний износостойкости стали 20 после бориро-
вания двумя способами - в кипящем слое и в контейнере с плавким затвором. При небольших нагрузках, равных 50 и 100 МПа, легирование поверхностных слоев стали 20 бором до 4,79 мас. % приводит к повышению ее износостойкости в два раза по сравнению с износостойкостью боридных слоев, полученных традиционным методом. При нагрузке 400 МПа после 60 мин испытаний для стали 20, борированной в кипящем слое, начинается катастрофическое разрушение диффузионного слоя (рис. 8).
400 350 300 250 200 150 100 50
♦Ч-
0 500 1000 1500 2000
Расстояние от поверхности, мкм
Рис. 5. Микротвердость стали 20 при борировании в кипящем слоев
110000 220000 330000 Расстояние от поверхности, мкм
400
Рис. 6. Микротвердость стали 4Х5МФС при борировании в кипящем слое
1000
> к
0 200 400 600 Расстояние от поверхности, мкм
Рис. 7. Микротвердость стали Х12МФ при борировании в кипящем слое
800
Рис. 8. Износостойкость стали 20, борированной в кипящем слое, при нагрузках, МПа: 1 - 50; 2 - 100; 3 - 200; 4 - 400
^Ж Наука
итехника, № 5, 2012
В Ы В О Д Ы
1. Получены боридные покрытия на сталях 20, 4Х5МФС и Х12М, обработанных в кипящем слое с использованием в качестве активной засыпки металлотермической порошковой среды для двухфазного борирования. На исследуемых сталях образуются слои, не имеющие характерного игольчатого строения и двухфазной структуры, как при традиционном борирова-нии в печи в контейнерах с плавким затвором.
2. Изменение схемы обработки в кипящем слое и способа флюидизации при использовании в качестве активной засыпки металлотер-мической порошковой среды для двухфазного борирования не привело к получению на исследуемых сталях диффузионных боридных слоев традиционных структуры и свойств. Вероятно, это станет возможным при использовании порошковой борирующей среды с увеличенным количеством активного бора.
3. Изучены фазовый и химический составы, структура диффузионных боридных слоев. В поверхностном слое на стали 20 обнаружен сложный оксид алюминия Л15(Б03)06, а на сталях 4Х5МФС и Х12М - борид Ре2В.
4. Результаты испытаний износостойкости в условиях трения - скольжения сталей с покрытиями, полученными в кипящем слое, показали, что при небольших нагрузках износостойкость увеличивается в два раза по сравнению с износостойкостью стали 20, бориро-ванной при традиционном печном нагреве.
Л И Т Е Р А Т У Р А
1. Файншмидт, Е. М. Теория и практика термической обработки в кипящем слое изделий из металлов и сплавов / Е. М. Файншмидт // Металловедение и термическая обработка металлов. - 2005. - № 3. - С. 4-19.
2. Баландин, Ю. А. Исследование процесса насыщения штамповых сталей бором и никелем в виброкипящем слое / Ю. А. Баландин // Известия вузов. Черная металлургия. - 2005. - № 9. - С. 32-34.
3. Баландин, Ю. А. Комплексное насыщение поверхности инструментальных сталей бором, медью и хромом в псевдоожиженном слое / Ю. А. Баландин // Известия вузов. Черная металлургия. - 2005. - № 7. - С. 50-52.
4. Алиев, А. А. Цементация и нитроцементация автотракторных деталей в кипящем слое / А. А. Алиев, А. Ю. Ампилогов, Ак. А. Алиев // Металловедение и термическая обработка металлов. - 2009. - № 4. - С. 31-33.
5. Исследование порошковых металлотермических сред для борирования / Б. Б. Хина [и др.] // Вестник БНТУ. - 2010. - № 1. - С. 31-34.
6. Особенности формирования боридных покрытий из композиционных металлотермических порошковых сред / Н. А. Галынская [и др.] // Вестник БНТУ. - 2011. -№ 4. - С. 15-20.
Поступила 02.05.2012 ■■ Наука
_итехника, № 5, 2012
Время испытания, мин
Рис. 9. Износостойкость стали 20, борированной при традиционном печном нагреве, при нагрузках, МПа: 1 - 50; 2 - 100; 3 - 200; 4 - 400
Борированное покрытие, полученное в кипящем слое, хотя и имеет пониженную микротвердость, отличается хорошей вязкостью. Эти слои имеют преимущество при испытаниях на износостойкость в условиях трения - скольжения при небольших нагрузках (50 и 100 МПа). Тогда как двухфазные боридные слои в силу своего строения - игольчатость, наличие границы раздела между боридами БеВ и БеБ2 - имеют повышенную хрупкость и скорость разрушения их выше, чем у покрытий, полученных в кипящем слое.
Легирование поверхностных слоев сложно-легированных сталей 4Х5МФС и Х12МФ бором в количестве 7,10 и 7,55 мас. % соответственно привело к увеличению их износостойкости в условиях трения - скольжения со смазкой при всех применяемых нагрузках по сравнению с износостойкостью стали 20, борированной при традиционном печном нагреве (рис. 10, 11). На сталях 4Х5МФС и Х12М отсутствует катастрофическое разрушение диффузионного слоя при большой нагрузке - 400 МПа.
Рис. 10. Износостойкость стали 4Х5МФС, борированной в кипящем слое, при нагрузках, МПа: 1 - 50; 2 - 100; 3 - 200; 4 - 400
Время испытания, мин
Рис. 11. Износостойкость стали Х12МФ, борированной в кипящем слое, при нагрузках, МПа: 1 - 50; 2 - 100; 3 - 200; 4 - 400
