CC BY
2205.16.09 Материаловедение (по отраслям) (технические науки) DOI: 10.25712^Ш2072-8921.2020.03.013 УДК 621.793.79
ФОРМИРОВАНИЕ ДИФФУЗИОННЫХ СЛОЕВ И ИССЛЕДОВАНИЕ ШЕРОХОВАТОСТИ ПРИ КОМПЛЕКСНОМ НАСЫЩЕНИИ ПОВЕРХНОСТИ СТАЛИ 5ХНМ БОРОМ И МЕДЬЮ
С. А. Лысых, Ю. П. Хараев, В. Н. Корнопольцев, Хэ Сяо Чжун, Б. Д. Лыгденов, А. М. Гурьев
Одним из эффективных и действенных методов воздействия на поверхностный слой с целью улучшения физико-механических свойств является химико-термическая обработка (ХТО), в частности - борирование. Целью работы является исследование влияния количества меди в насыщающей среде наформирование диффузионного слоя и высоту микронеровностей (шероховатости) после комплексного насыщения поверхности легированной штамповой стали 5ХНМ бором и медью.
В работе установлено, что в результате комплексного насыщения поверхности стали 5ХНМ бором и медью в порошковой среде с содержанием меди от 9 до 15 %, на поверхности стали получены диффузионные слои толщиной от 140 до 330 мкм, что позволяет вести разработку технологии создания гарантированного припуска для финишной обработки после ХТО ответственных деталей машин и инструмента. Показано, что после комплексного насыщения поверхности стали 5ХНМ бором и медью в порошковой среде с содержанием меди от 9 до 15 % происходит ухудшение шероховатости, при этом взаимосвязи с исходной шероховатостью не отмечено.
Ключевые слова: диффузионный слой, комплексное насыщение, бор, медь, микротвердость, шероховатость.
ВВЕДЕНИЕ
Качество поверхностного слоя является определяющим показателем эксплуатационной работоспособности современных высо-конагруженных деталей машин и инструментов. Как известно, к основным характеристикам качества поверхностного слоя относятся твердость и шероховатость, формирование которых определяется различными факторами технологического воздействия в процессе изготовления. Одним из эффективных и действенных методов воздействия на поверхностный слой с целью улучшения физико-механических свойств является химико-термическая обработка (ХТО), в частности -борирование [1, 2]. К настоящему времени в научной литературе достаточно глубоко рассмотрены различные аспекты борирования широкого спектра сталей [3-11]. Однако более широкое применение методов ХТО, особенно для ответственных деталей машин и инструмента, сдерживается отсутствием исследований в направлении возможности финишной обработки поверхностей, подвергнутых упрочнению. В этом направлении значительный интерес представляют методы комплексного насыщения поверхности бором с различными элементами, дающими возможность получать диффузионный слой, часть которого можно рассматривать в качестве припуска под шлифование. В научной лите-
ратуре слабо освещены вопросы влияния диффузионного насыщения на шероховатость поверхности легированных сталей. Особую актуальность представляют исследования в отношении инструментальных сталей, где остро стоит вопрос необходимости сохранения твердости и геометрической точности рабочей поверхности в условиях циклических, тепловых и динамических нагрузок.
Целью данной работы является исследование влияния добавок меди в насыщающую среду наформирование диффузионного слоя и высоту микронеровностей (шероховатости) после комплексного насыщения поверхности легированной штамповой стали 5ХНМ бором и медью.
МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ
Процесс диффузионного насыщения проводился в порошковой среде. Исследуемые образцы помещали в контейнеры и заполняли порошковой насыщающей смесью. Диффузионное насыщение проводилось в камерной печи при температуре 950 °С (1223 К), время выдержки составило 4 часа. Далее контейнеры извлекались из печи, охлаждались на воздухе, для очистки от остатков насыщающей смеси образцы промывались под струей воды, затем следовала подготовка шлифов для металлографических исследований. Металлографические иссле-
дования проводили на оптическом микроскопе «Neophot-21». Микротвердость измерялась на микротвердомере ПМТ-3. Нагрузка на алмазную пирамидку составила 100 грамм. Для исследования влияния борирования из насыщающей смеси, содержащей от 9 до 15 % меди на шероховатость поверхности, использовались образцы из стали 5ХНМ. Образцы предварительно подвергали механической обработке (фрезерование и шлифование) на различную шероховатость, и только после этого осуществлялось диффузионное насыщение бором и медью. После химико-термической обработки образцы очищали от остатков насыщающей смеси и проводили измерения шероховатости упрочненных по-
верхностей на приборе SURFTESTSJ-201. На поперечных шлифах изучали структуру и состав упрочненного диффузионного слоя и переходной зоны в направлении от поверхности к сердцевине образца. Элементный анализ проводили на сканирующем электронном микроскопе (СЭМ) с элементным дисперсионным анализом иео! иСМ-6000.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Для исследования особенностей формирования диффузионных слоев при комплексном насыщении бором и медью поверхности стали 5ХНМ использовались насыщающие смеси с различным содержанием меди.
а Ь с
Рисунок 1 - Микроструктура диффузионного слоя на стали 5ХНМ при различном содержании меди в составе: а - состав 1 с 9 % меди; Ь - состав 2 с 12 % меди;
с - состав 3 с 15 % меди
Фотографии микроструктуры, показанные на рисунке 1 , позволяют констатировать наличие сформированного диффузионного слоя. На рисунке 1, а зафиксирован диффузионный слой в пределах 130-140 мкм с достаточно заметной переходной зоной и следами явно выраженной направленной диффузии в сторону подложки. На рисунке 1, в
наблюдается игольчатая структура, характерная для боридных слоев и толщиной слоя до 200 мкм. Наибольшая толщина диффузионного слоя до 300-330 мкм зафиксирована на образцах, подвергнутых диффузионному насыщению с наибольшим содержанием меди, при этом структура слоя характеризуется наличием пор (рисунок 1, с).
8 о СЗ
И «
3
4 о Н
350 300 250 200 150 100 50 0
I
Состав 1
Состав 2
Состав 3
Рисунок 2 - Величина диффузионного слоя в зависимости от состава насыщающей смеси: состав 1 - 9 % меди; состав 2 - 12 % меди; состав 3 - 15 % меди
Результаты измерения толщины диффузионного слоя, представленные на рисунке 2, наглядно демонстрируют, что при изменении содержания меди в смеси с 9 до 15 % происходит изменение величины диффузионного слоя от 140 до 330 мкм. Таким образом, можно утверждать, что увеличение содержания меди в указанных пределах в составе насыщающей смеси способствует ускорению диффузионных
процессов и увеличению толщины диффузионного слоя на поверхности стали 5ХНМ, что хорошо согласуется с ранее полученными результатами на других сталях [4, 5, 8].
Микроструктура, полученная с помощью сканирующего электронного микроскопа Jeol JCM-6000, и элементный анализ диффузионного слоя представлены на рисунках 3-4.
Рисунок 3 - Точка спектра, исследуемая на наличие меди и бора в диффузионном слое
при использовании состава 1 (СЭМ)
Таблица 1 - Элементный состав в анализируемой точке
% Точка Спектра Элементный состав
B Fe № Mo
Ат. вес. 009 4,38 44,48 0,58 35,99 0,47
Указанная точка спектра содержит либдена 0,47 % и никеля 0,58 %. Наличие 4,38 % бора, а также оксид бора 14,10 %, мо- меди на поверхности составляет 35,99 %.
Ш)(«га)
Рисунок 4 - Область исследования на наличие бора и наличие меди в диффузионном слое
при использовании состава 3 (СЭМ)
Таблица 2 - Элементный состав в анализируемой области
% Точка Спектра Элементный состав
B Fe Ni Cu Mo AI С
Ат. вес. 017 6,01 48,65 1,38 1,24 1,22 3,16 16,03
При использовании состава 3 концентрация бора в точке спектра 017 составила 6,01 %. Концентрация меди - 1,24 %.
Таким образом, элементный анализ показывает наличие основных легирующих элементов, соответствующих химическому составу стали 5ХНМ. Необходимо отметить, что с увеличением в составе насыщающей смеси количества меди от 9 до 15 %, наблюдается увеличение концентрации бора с 4,38 до 6,01 %, что еще раз подтверждает известные из литературы данные о том, что медь активирует диффузию бора [4, 5, 8].
Результаты исследования микротвердости полученных диффузионных слоев представлены на рисунке 5. Из приведенной диаграммы отчетливо видна тенденция к снижению микротвердости по глубине от поверхности до основного металла, где микротвердость достигает значений в пределах 3500-
4000 МПа, что соответствует стандартным значениям для стали 5ХНМ в данном состоянии. Анализ распределения микротвердости по глубине диффузионного слоя на образцах, соответствующих составу 2 и 3 в диапазоне от 130 до 200 мкм, показывает заметное увеличение микротвердости, на графике выраженное в виде пика. Наблюдаемый перегиб на кривой микротвердости, соответствующий образцам с более высоким содержанием меди в насыщающем составе, дает основания говорить о возможности применения финишной обработки со снятием слоя до 150200 мкм без значительных потерь свойств присущих диффузионным слоям. Такая возможность позволяет значительно расширить область применения химико-термической обработки в сторону ответственных деталей машин и инструмента, имеющих жесткие требования к полям допусков.
л н о о ч а
(D «
Н
О &
s
25000
20000
15000
10000
5000
00000000000000000
Состав 1 Состав2 СоставЗ
Расстояние от поверхности, мкм Рисунок 5 - Распределение микротвердости по глубине диффузионного слоя
При исследовании формирования шероховатости при боромеднении высоту микронеровностей измеряли прибором SURFTEST SJ-210 до насыщения поверхности и после. При этом в начале поверхность образцов подвергалась механической обработке на
заданную шероховатость. Данные о величине исходной шероховатости и результаты исследования влияния комплексного насыщения поверхности бором и медью на шероховатость поверхности плоских образцов из стали 5ХНМ приведены в таблице 3.
0
Таблица 3 - Шероховатость поверхности образцов стали 5ХНМ до и после ХТО
Номер состава Номер образца Шероховатость поверхности (Rz) (мкм)
Исходная После насыщения бором и медью
Состав 1 1 0,10 2,88
2 0,11 2,35
Состав 2 3 0,05 2,48
4 0,09 2,30
Состав 3 5 0,08 3,34
6 0,05 4,53
Необходимо отметить, что наибольшее увеличение высоты микронеровностей после ХТО наблюдается на образцах 5 и 6, где для ХТО использовался насыщающий состав 3 с наибольшим содержанием меди. Таким образом, можно утверждать, что с увеличением
5
4,5
4
s 3,5
3
а:
л н 2,5
о
н го 2
ш
X о 1,5
<U 3 1
0,5
0
содержания меди в насыщающем составе увеличивается как толщина диффузионного слоя, так и его шероховатость. По всей вероятности, это является следствием того, что медь способствует активации диффузионных процессов.
Исходная шероховатость поверхности
Шероховатость поверхности после насыщения бором и медью
Образец 1 Образец 2 Образец 3 Образец 4 Образец 5 Образец 6
Рисунок 6 - Изменение шероховатости поверхности стали 5ХНМ до и после комплексного
насыщения бором и медью
Изучение результатов изменения шероховатости поверхности показали, что после проведения химико-термической обработки поверхности стали 5ХНМ в порошковой среде с использованием составов с разным содержанием меди, высота микронеровностей резко увеличивается, т. е. шероховатость поверхности после ХТО в целом заметно ухудшается. При этом, какой-либо корреляции с исходной высотой микронеровностей не отмечается.
ВЫВОДЫ
Показано, что после комплексного насыщения поверхности стали 5ХНМ бором и медью в порошковой борирующей среде с добавлением меди от 9 до 15 % происходит уве-
личение шероховатости, при этом взаимосвязи с ее исходной величиной не отмечено.
Установлено, что в результате комплексного насыщения поверхности инструментальной штамповой стали 5ХНМ бором и медью в порошковой борирующей среде с содержанием меди от 9 до 15 % на поверхности стали формируются диффузионные слои толщиной от 140 до 330 мкм, что позволяет вести разработку технологии создания гарантированного припуска для финишной обработки после ХТО ответственных деталей машин и инструмента.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. P. A. Dearnley, T. Bell Engineering the surface with boron-based materials // Surface Engineering. -1985. - V.1. - № 3. - P. 203-217.
2. Л. Г. Ворошнин, Л. С. Ляхович. Борирова-ние стали. - М. : Металлургия, 1978. - 239 с.
3. А. М. Гурьев, Б. Д. Лыгденов, Н. А. Попова [и др.]. Физические основы химико-термоциклической обработки сталей. - Барнаул, 2008. - 250 с.
4. С. А. Лысых, Ю. П. Хараев, В. Н. Корно-польцев, В. А. Бутуханов. Исследование формирования диффузионных слоев на стали 20 при одновременном насыщении бором и медью // Современные наукоемкие технологии. - М. : 2018. -Вып. 9. - С. 56-60.
5. Ю. П. Хараев, В. Н. Корнопольцев, С. А. Лысых. Определение состава смеси при поверхностном упрочнении стали бором и медью // Ползунов-ский альманах. - 2016. - № 4. - С. 142-144.
6. А. М. Гурьев, Б. Д. Лыгденов, О. А. Власова. Совершенствование технологии химико-термической обработки инструментальных сталей // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). - 2009. - № 1 (42). - С. 14-15.
7. А. М. Гурьев, Ю. П. Хараев, А. А. Колядин, О. В. Шаметкина. Литые штампы для горячего объемного деформирования и особенности их термической и химико-термической обработки // Литейное производство. - 2004. - № 1. - С. 8.
8. А. М. Гурьев, Б. Д. Лыгденов, Н. Ю. Маль-кова. Титанирование углеродистых сталей в порошковых смесях, содержащих медь // Металлургия машиностроения. - 2004. - № 1. - С. 28.
9. А. М. Гурьев, С. Г. Иванов, М. А. Гурьев, А. Г. Иванов, Б. Д. Лыгденов, С. А. Земляков, А. А. Долгоров. Структура и свойства, упрочненных бором и бором совместно с титаном поверхности штамповых сталей 5ХНВ И 5Х2НМВФ // Фундаментальные проблемы современного материаловедения. - 2010. - Т. 7. - № 1. - С. 27-31.
10. А. М. Гурьев, Л. Г. Ворошнин, Ю. П. Хараев, Б. Д. Лыгденов, Е. В. Черных. Циклическое тепловое воздействие при термической и химико-термической обработке инструментальных сталей // Фундаментальные проблемы современного ма-
териаловедения. - 2005. - Т. 2. - № 3. - С. 37-45.
11. Б. Д. Лыгденов, А. М. Гурьев, Э. В. Козлов, В. А. Бутуханов, Ч. Чжу. Формирование диффузионного слоя на рабочей поверхности инструмента, работающего в условиях динамического износа // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. - 2015. - Т. 58. - № 2. -С. 117-120.
Лысых Степан Алексеевич, аспирант ФГБОУ ВО «Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления», г. Улан-Удэ, e-mail: lysyh.stepa @yandex.ru.
Хараев Юрий Петрович, д.т.н., декан электротехнического факультета ФГБОУ ВО «Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления», г. Улан-Удэ, e-mail: [email protected].
Корнопольцев Василий Николаевич, к.т.н., с.н.с., Бурятского научного центра СОРАН, г. Улан-Удэ, e-mail: [email protected].
Хэ Сяо Чжун, ген. директор Синчан-ского завода подшипников, г. Синчан, Китай, e-mail: [email protected].
Лыгденов Бурьял Дондокович, д.т.н., профессор Уханьского текстильного университета, г. Ухань, Китай, e-mail: lygdenov59 @mail.ru.
Гурьев Алексей Михайлович, д.т.н., профессор, заведующий кафедрой НГиГ ФГБОУ ВО «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползу-нова», г. Барнаул; профессор Уханьского текстильного университета, г. Ухань, Китай, e-mail: [email protected].
