CC BY
28ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ МАТЕРИАЛОВЕ,
УДК 621.789: 669.1
РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ БОРИРОВАНИЯ В ПОРОШКОВОЙ СРЕДЕ,
СОДЕРЖАЩЕЙ БОРНУЮ КИСЛОТУ
В.Н. КОРНОПОЛЬЦЕВ, канд. техн. наук, научный сотрудник, (БИП СО РАН, г. Улан-Удэ). А.М. ГУРЬЕВ, доктор техн. наук, профессор, (АлтГТУ, г. Барнаул).
Б.Д. ЛЫГДЕНОВ, доктор техн. наук, доцент, (ВСГТУ, г. Улан-Удэ)
Статья поступила 28 марта 2011 г.
Корнопольцев В.Н. - 670047, Улан-Удэ, ул. Сахьяновой, 6 Байкальский институт природопользования (БИП СО РАН), e-mail: [email protected]
В работе приведены результаты экспериментальных исследований по диффузионному насыщению в составе, содержащем борную кислоту. Получены диффузионные боридные слои с различными механическими свойствами в зависимости от изменения состава насыщающей смеси.
Ключевые слова: химико-термическая обработка, сталь, бориды, карбобориды, микротвердость.
ВВЕДЕНИЕ
Насыщение бором методами химико-термической обработки (ХТО) в настоящее время находит все более широкое применение для поверхностного упрочнения стальных и чугунных изделий. Боридные диффузионные покрытия обладают хорошей износостойкостью в связи с высокой микротвердостью. Однако в некоторых случаях для поверхностного упрочнения выбору борирования препятствуют низкая пластичность покрытий и высокая стоимость наиболее применяемых борсодержащих компонентов аморфного бора и карбида бора, особенно в условиях экономического кризиса.
На наш взгляд, использованию в качестве бор-содержащего компонента при порошковом методе насыщения более дешевых материалов уделено недостаточно внимания. В отдельных случаях используется технологический процесс с предварительным восстановлением борного ангидрида алюминием или магнием, с последующим размолом и использованием порошка в качестве добавки к насыщающей смеси. Однако при этом происходит спекание шихты при высокотемпературном синтезе, что отрицательно сказывается при последующем использовании смесей. Введение балластной добавки в реакционную смесь приводит к неполному восстановлению борного ангидрида, и часть восстановителя расходуется на образование бори-
дов, что резко снижает насыщающую способность используемых порошков.
Совершенно очевидно, что в исследовании процессов химико-термической обработки, в частности борировании, много нерешенных вопросов, которые заслуживают внимания. Часть этих проблем ставится и исследуется в настоящей работе.
МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ
Нами разработан способ применения в качестве борсодержащего компонента обезвоживаемой борной кислоты, восстанавливаемой до бора алюминием или магнием, который имеет ряд ноу-хау, обеспечивающих сыпучесть насыщающим порошкам. Способ является совмещенным, при котором экзотермический процесс восстановления обезвоженной борной кислоты осуществляется в процессе ХТО, что позволяет значительно уменьшить энергозатраты. Процессы диффузионного насыщения проводили в порошковой среде. Технологический процесс выполнялся при 950 °С, время выдержки -5 часов.
Любая борированная поверхность, как правило, состоит из двух зон: 1) зона боридов (однофазная и двухфазная) и 2) переходная зона. Боридная зона в двухфазных боридных слоях независимо от химического состава стали представлена борида-ми БеБ и Бе2Б. Борид БеБ располагается в верх-
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
Чм
нем слое, а Бе2Б - под ним. Однофазные боридные слои состоят из фазы Бе2Б [1, 3]. Переходная зона имеет сложное строение и является карбоборидной [4-6]. Ее структура, глубина и состав определяют, в частности, характер распределения остаточных напряжений, прочность связи боридного слоя с основным металлом, склонность его к хрупкому разрушению, условия образования и развития усталостных трещин, возможность продавливания слоя и пр. Поэтому при выборе стали и режима бо-рирования необходимо учитывать влияние структуры переходной зоны.
В тройной системе Бе-С-Б в зависимости от концентрации углерода и бора может возникнуть как тройной твердый раствор бора и углерода в железе, так и тройные химические соединения этих элементов - карбобориды [2]. С ростом температуры борирования относительное увеличение концентрации углерода в пограничном слое падает. Поэтому возникновению карбоборидов железа способствует понижение температуры процесса насыщения и повышение начального содержания углерода в стали. Карбобориды, кристаллизующиеся на боридах, ориентированы относительно последних и имеют своеобразное перистое строение.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
В процессе экспериментальных работ установлено, что при использовании состава: 25-35 % (масс.) Н3Б03, 6-8 %(масс.) А1, в качестве активатора 2-3 % (масс.) и в качестве инертной добавки - А1203, уже при первичном использовании смеси в герметичном контейнере, на углеродистых сталях формируются диффузионные слои. Температура насыщения составила 950 °С, время выдержки - 5 часов. Толщина диффузионного слоя достигает до 20...50 мкм, а игольчатая структура свидетельствует о формировании боридов (рис. 1).
При добавлении в отработанный при первом режиме состав 30 % (масс.) свежеприготовленной смеси (без А1203) позволяет интенсифицировать насыщающую способность (рис. 2). Покрытия имеют высокую микротвердость.
Рис. 1. Микроструктура диффузионного слоя на стали У8 при борировании в среде, содержащей борную кислоту х200 (Г = 950 оС, т = 5 ч)
Рис. 2. Микроструктура диффузионного слоя на стали У8 при борировании в среде состава с борной кислотой при вторичном использовании смеси с регенерацией 30 % (масс.) свежего состава х100. (/ = 950 оС, т = 5)
Это связано, очевидно, с увеличением концентрации бора в смеси и уменьшением доли оксида алюминия. До сих пор нет четкой градации по содержанию оксида алюминия в составах для насыщения. При этом всегда необходимо учитывать химическую активность диффундирующего элемента.
Совмещенное насыщение стальной поверхности бором с медью, никелем, хромом, титаном позволяет получать боридные слои меньшей толщины, но они обладают большей пластичностью и износостойкостью.
Хорошие результаты получаются при введении в состав насыщающей смеси оловянистой бронзы [7]. Если медь в насыщающей смеси приводит к двухкратному уменьшению толщины слоя, то бронза способствует его увеличению. Кроме того, состав [7] позволяет получать боридные покрытия при температурах от 650 °С. Покрытия имеют на 15-20 % меньшую твердость, чем борированные, но в 2-2,5 раза большую пластичность и износостойкость.
Высокая износостойкость может быть объяснена тем, что при данной технологии за счет формирования комплексного диффузионного слоя уменьшается коэффициент трения.
Необходимо также учитывать тот факт, что коэффициент трения очень сильно может зависеть от пары трения.
Введение в насыщающий состав оловянистой бронзы при восстановлении борной кислоты по заявленной технологии приводит к интенсивному росту толщины диффузионного слоя (рис. 3).
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
Рис. 3. Микроструктура диффузионного слоя на стали 45 при введении в состав оловянистой бронзы х400 (/ = 950 оС, т = 5)
ВЫВОДЫ
1. Металлографический анализ полученных диффузионных слоев показывает, что разработанный способ борирования с применением в качестве бор-содержащего компонента борной кислоты позволяет получать на поверхности углеродистых сталей защитные боридные покрытия и может быть использован для дальнейших исследований и совершенствования метода борирования из порошков с целью оптимизации процессов ХТО и получения качественных покрытий с заданными эксплуатационными свойствами.
2. Дюрометрические исследования подтверждают изменение значений микротвердости в зависимости от состава смеси.
Список литературы
1. Лабунец В.Ф., Ворошнин Л.Г., КиндарчукМ.В. Износостойкие боридные покрытия. - Киев: Техника, 1989. - 158 с.
2. Исаков М.Г., Прусаков Г.М., Щербединский Г.В. Исследование кинетики роста боридов в системах Бе - Б и Бе - В - С // Изв. АН СССР. Металлы. - 1987. -№ 1. - С. 185-190.
3. Тарасов С.Ю., ТрусоваГ.В., Колубаев А.В., Сизова О.В. Структурные особенности боридных покрытий триботехни-ческого назначения // МиТОМ. - 1995. - № 6. - С. 35-38.
4. Физические основы термоциклического борирова-ния / А.М. Гурьев, Э.В. Козлов, Л.Н. Игнатенко, Н.А. Попова. - Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2000. - 216 с.
5. Гурьев А.М. Изменение фазового состава и механизм формирования структуры переходной зоны при термоциклическом борировании феррито-перлитной стали / А.М. Гурьев, Э.В. Козлов, А.Н. Жданов, Л.Н. Игнатенко, Н.А. Попова // Изв. вузов. Физика. - 2001. - № 2. -С. 58-63.
6. Гурьев А.М. Фазовый состав и механизм образования диффузионного слоя при борировании сталей в условиях циклического теплового воздействия / А.М. Гурьев, Б.Д. Лыгденов, Э.В. Козлов, И. А. Гармаева, О. А. Власова, С.Г. Иванов // Упрочняющие технологии и покрытия. -№ 1. - 2008. - С. 20 - 27.
7. Патент РФ № 1349326. С23 С12/02. 1993 Состав для комплексного насыщения стальных изделий / Л.С. Ляхович, Ю.А. Шинкевич, И.Н. Бурнышев, Н.В. Корнопольцев.
Working out of technology borating in the powder environment containing boric acid
B.N. Kornopolsev, A.M. Guriev, B.D. Lygdenov
In work results of experimental work on diffusive saturation in the structure, containing boric acid are resulted. Are received diffusive boride layers with various mechanical properties depending on structure change.
Key words: chemical-thermal processing, steel, boride, carboborids, microhardness.
