CC BY
19УДК 621.785.5
МЕХАНИЗМ ОБРАЗОВАНИЯ БОРИДНЫХ ИГЛ ПРИ ДИФФУЗИОННОМ КОМПЛЕКСНОМ БОРОХРОМИРОВАНИИ
ИЗ НАСЫЩАЮЩИХ ОБМАЗОК
А.М. ГУРЬЕВ, доктор техн. наук, профессор, С.Г. ИВАНОВ, канд. техн. наук, А. Д. ГРЕШИЛОВ, канд. техн. наук, докторант, С.А. ЗЕМЛЯКОВ, канд. техн. наук, докторант, (АлтГТУ, г. Барнаул)
Статья получена 23 марта 2011 г.
Гурьев А.М. - 656038, г. Барнаул, пр. Ленина, 46, Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова, e-mail: [email protected]
Рассматриваются возможные механизмы диффузии атомов легирующих элементов при комплексном диффузионном поверхностном насыщении бором, хромом и титаном с целью их понимания и целенаправленного управления процессами комплексного многокомпонентного диффузионного упрочнения поверхностей стальных деталей машин и инструмента.
Ключевые слова: термическая обработка, химико-термическая обработка, борирование, борохромирование, поверхностное упрочнение, диффузия.
Введение
В связи с ростом стоимости и дефицитом легированного и высоколегированного проката все большее внимание уделяется различным видам и способам поверхностной обработки сплавов на основе железа. Наиболее часто применяемыми в настоящее время из них являются нанесение различных покрытий.
Одним из достаточно широко распространенных способов нанесения покрытий является химико-термическая обработка - насыщение поверхности деталей машин и инструмента атомами различных элементов. Наибольшее распространение в промышленных техпроцессах получили: насыщение углеродом (цементация), азотом (азотирование) и совмещенный процесс (карбоазотирование либо цианирование). Наиболее часто вышеперечисленные покрытия предназначаются для повышения износостойкости, а следовательно, и ресурса работы стальных деталей машин и инструмента. Однако на этом многообразие видов химико-термической обработки не исчерпывается: незначительное распространение также имеют борирование, цинкование, хромирование, алитирование, силицирование и др. Так, например, силицирование придает на порядок более высокую стойкость в растворах кислородсодержащих кислот по сравнению с другими процессами ХТО, хромирование и алитирование - значительно повышают тепло- и жаростойкость, а боридные слои - обладают наибольшей твердостью, износостойкостью
и коэффициентом трения по сравнению с другими покрытиями [1].
Одним из главных достоинств химико-термической обработки является хорошая интегрируемость в техпроцессы предприятий металлообрабатывающей отрасли.
Методика проведения исследований
В настоящей работе были проведены эксперименты по одновременному комплексному насыщению бором и хромом из насыщающей обмазки на основе карбида бора и оксида хрома. Процесс насыщения проводился в условиях высокотемпературной изотермической выдержки в течение 3 ч при температуре 950 °С [3-7]. После насыщения были проведены металлографический и дюрометрический анализы. Также на микроскопе JEOL с энергодисперсионным анализатором X-MAX посредством программного пакета INCA ENERGY был проведен микрозондо-вый анализ полученного покрытия.
Результаты исследований и их обсуждение
Микроструктура полученного диффузионного слоя с местами определения химического состава приведена на рис. 1. Как видно из рисунка, борид-ный слой на стали Ст 3, полученный одновременным
борохромированием из обмазки на основе карбида бора, представляет собой типичную для боридных слоев игольчатую микроструктуру. Так как иглы бо-ридов расположены не строго перпендикулярно поверхности насыщаемой стали, то на фотографии они выглядят затупленными.
Рис. 1. Вид микроструктуры боридного слоя, полученный с помощью электронного микроскопа в отраженных электронах
К темно-серым иглам боридов прилегает более светлая оторочка, состоящая из боридов и карбо-боридов железа, по краям которой видны зародыши боридной фазы, расположенные перпендикулярно к поверхности зоны боридов. Как видно из представленной фотографии, они имеют так называемое «перистое» строение. В левом нижнем углу фотографии (рис. 1) четко различимо зерно перлита, отмеченное цифрой 7, представляющее собой механическую смесь феррита, цементита и карбоборидов.
Цифрами на фотографии показаны места, где был выполнен микрозондовый химический анализ состава диффузионного слоя с помощью энергодисперсионного анализатора X-MAX с программным обеспечением OXFORD Instruments (см. таблицу). Соответствующие спектры приведены на рис. 2.
Сводная таблица результатов микроанализа составляющих фаз боридного покрытия
Спектр B C Si Cr Mn Fe Cu Всего
1 9,26 3,96 - 0,3 0,41 86,07 - 100
2 11,86 4,4 - 0,28 0,48 82,98 - 100
3 11,2 4,11 - 0,3 0,49 83,89 - 100
4 0 4,71 0,35 0,13 0,43 93,98 0,41 100
5 0 3,45 0,29 0,25 0,52 95,49 - 100
6 0 3,87 0,21 0,16 0,6 95,16 - 100
7 5,8 15,08 0,32 0,18 0,4 78,22 - 100
Max 11,86 15,08 0,35 0,3 0,6 95,49 0,41 -
Min 0 3,45 0,21 0,13 0,4 78,22 0,41 -
Рис. 2. Энергетические спектры соответствующих областей, обозначенных на рис. 1 и в таблице
и Бе2Б соответственно). Таким образом, фронт реакции постоянно смещается вглубь материала. Именно таким образом можно объяснить высокое содержание углерода (строка 7 таблицы - 15,8 % углерода) в области зарождения боридных игл.
а б
Рис. 3. Микроструктура зародышей боридного слоя в переходной зоне
На рис. 3 представлены увеличенные фрагменты фотографии подборидной зоны с зародышами боридной фазы, причем на рис. 3, а зерно перлита с зародышами расположено строго перпендикулярно плоскости шлифа, а на рис. 3, б - находится в плоскости шлифа параллельно. Анализируя данные фотографии, можно сделать вывод, что чем ближе прилегание цементита к боридному слою, тем более он фрагментирован вследствие разрушения его диффундирующими атомами бора. Цементит является метастабильной фазой, и легирование бором повышает его устойчивость, а также прочностные и стой-костные характеристики [8-11].
Таким образом, анализируя изображения микроструктуры, прилегающей к боридным иглам переходной зоны упрочненного слоя, можно сделать вывод о том, что преобладающим механизмом образования боридного слоя является реакционный механизм с промежуточной стадией образования борирован-ного цементита. В пользу реакционного механизма образования упрочненного боридного слоя может говорить также и изображение на рис. 4, которое получено с помощью атомно-силового микроскопа в прилегающей к боридным иглам области.
Сам же механизм образования боридных игл представляется следующим: при захвате атомов бора поверхностью железоуглеродистого сплава часть этих атомов реагирует непосредственно с железом с образованием моноборида железа БеБ, однако энтальпия образования моноборида достаточно высока, а твердый раствор бора в железе при температурах порядка 900.. .1000 °С содержит не более 5 ат. % бора, поэтому преобладающим в данном случае будет механизм легирования цементита путем замещения атомов углерода бором вплоть до формулы цементита Бе(С02Б08). Высвобождаемый в результате реакции углерод оттесняется от фронта реакции вглубь сплава. По мере диффузии атомов бора к легированному цементиту весь углерод в нем оказывается замещен атомами бора - образуется бористый цементит Бе3Б, который является неустойчивой фазой, и в конечном итоге распадается на моно- и гемиборид железа (БеБ
б
Рис. 4. Микроструктура зародышей боридного слоя, полученная с помощью атомно-силового микроскопа:
а - микроструктура в плоскости; б - объемная реконструкция микро структуры
Как видно из рис. 5, в жидком расплаве, в значительной степени легированном бором, в равновесии находятся как карбобориды железа, так и гемиборид железа, а также т-фаза, представляющая собой смесь карбоборидов железа, моно- и гемиборида железа [12]. По мере охлаждения сплава моноборид железа распадается на гемиборид, так как данное соединение более устойчиво. В частности, как показано на рис. 5, б, при температуре 900 °С, которая наиболее часто выбирается как оптимальная температура процесса диффузионного борирования, при значительном легировании углеродом наиболее вероятно существование карбоборидов, легированных бором в различной степени, по сравнению с чистым цементитом. Кроме того, присутствие значительного количества углерода в насыщаемом сплаве сдвигает термодинамическое равновесие реакций взаимодействия железа с бором в сторону образования гемиборида железа Бе2Б.
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
10 20 Ре3С 30
С. % (ат.)
б
Рис. 5. Диаграммы состояния Бе-С-Б;
а - поверхность ликвидус; б - изотермический разрез части системы при 900 °С [12]
Однако в поверхностных слоях боридного слоя ситуация складывается уже несколько иначе; поступающий с поверхности атомарный бор начинает полностью вытеснять углерод вглубь материала, в результате чего на поверхности происходит образование моноборида железа. Процесс образования моноборида начинается в местах поверхности, обладающих поверхностной энергией, достаточной для захвата и удержания атомов бора, постепенно распространяясь вширь и вглубь материала. Таким образом, в уже образовавшихся иглах из гемиборида железа начинают расти иглы моноборида железа. Такой процесс возможен при значительном времени процесса насыщения, а также при борировании сталей, содержащих повышенное количество углерода (более 0,45 %) [12, 13]. Косвенно это также подтверждается диаграммами железо-бор и бор-углерод, приведенными на рис. 6, а и 6, б соответственно. Из диаграмм видно, что для начала образования моноборида железа необходима в два раза большая концентрация бора, чем для образования гемиборида.
Рис. 6. Диаграммы состояния двойных систем на основе бора [13]
Вывод
При одновременном комплексном насыщении поверхности сталей бором совместно с хромом совместная диффузия имеет сложный характер. Причем возможность, скорость и механизмы совместной диффузии будут определяться не только природой насыщаемого материала, но и природой диффундирующих элементов и степенью их химического сродства.
Список литературы
1. Борисенок Г.В., Васильев Л.А., Ворошнин Л.Г. и др. Химико-термическая обработка металлов и сплавов. Справочник. - М.: Металлургия, 1981. - 424 с., ил.
2. Гурьев А.М. Фазовый состав и механизм образования диффузионного слоя при борировании сталей в условиях циклического теплового воздействия / А.М. Гурьев,
а
а
б
С.Г. Иванов, Б.Д. Лыгденов, О.А. Власова, Э.В. Козлов, И. А. Гармаева // Упрочняющие технологии и покрытия. -2008. - № 1. - С. 20-27.
3. Гурьев А.М. Совершенствование технологии химико-термической обработки инструментальных сталей / А.М. Гурьев, Б. Д. Лыгденов, О.А. Власова // Обработка металлов. - 2009. - № 1. - С. 14-15.
4. Гурьев А.М. Влияние параметров борохромирова-ния на структуру стали и физико-механические свойства диффузионного слоя / А.М. Гурьев, С.Г. Иванов, Б. Д. Лыгденов, О.А. Власова, Е.А. Кошелева, М.А. Гурьев, И. А. Гармаева // Ползуновский Вестник. - 2007. - № 3. -С. 28-34.
5. Пат. 2345175 Российская Федерация, МПК. Способ упрочнения деталей из конструкционных и инструментальных сталей / А.М. Гурьев, С.Г. Иванов, Б. Д. Лыгденов, С.А. Земляков, О.А. Власова, Е.А. Кошелева, М.А. Гурьев. - № 2007112368/02; заявл. 03.04.07; опубл. 27.01.09, Бюл. № 3.
6. Пат. №2381299 Российская Федерация. Способ упрочнения стальных деталей / А. М. Гурьев, С.Г. Иванов, О. А. Власова, Е. А. Кошелева, М. А. Гурьев, Б.Д. Лыгденов. - № 2008118705/02; заявл. 12.05.08; опубл. 10.02.10, Бюл. № 4.
7. Гурьев А.М. Многокомпонентное диффузионное упрочнение поверхности деталей машин и инструмента из смесей на основе карбида бора / А.М. Гурьев, А. Д. Грешилов, С.Г. Иванов, М.А. Гурьев, А. А. Долгоров // Обработка металлов. - 2010. - № 2. - С. 19-23.
8. Surface alloying of steel / M.A. Guriev, S.G. Ivanov, A.M. Guriev // 17 international conference production and management in the steel industry, Poland, Zakopane, 25-27.06.2009. Р. 12-14.
9. Физические основы химико-термоциклической обработки сталей: монография / А.М. Гурьев, Б. Д. Лыгденов, Н.А. Попова, Э.В. Козлов. - Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2008. - 250 с.
10. Ворошнин Л.Г., Ляхович Л. С. Борирование стали. -М.: Металлургия, 1978. - 239 с.
11. Ворошнин Л. Г. Борирование промышленных сталей и чугунов. - Минск: Беларусь, 1981. - 205 с.
12. Диаграммы состояния двойных и многокомпонентных систем на основе железа / О. А. Банных, П.Б. Будберг, С.П. Алисова и др. - М.: Металлургия, 1986. - 440 с.
13. Диаграммы состояния двойных металлических систем. В 3 т. / под общ. ред. академика РАН Н.П. Ляки-шева. - М.: Машиностроение, 1996. - Т. 1.
The mechanism of formation needles of boron at diffusive complex saturation of boron and chrome from the
saturating pastes
A.M. Guriev, S.G. Ivanov, A.D. Greshilov, S.A. Zemljakov
Possible mechanisms of diffusion of atoms of alloying elements are considered at complex diffusive superficial saturation by a boron, chrome and the titan for the purpose of their understanding and purposeful management of processes of complex multicomponent diffusion hardening of surfaces of steel details.
Key words: thermal processing, chemical-thermal processing, boronizing, boron and chrome saturation, superficial hardening, diffusion.
