CC BY
10УДК 621.785.5
РЕОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И МИКРОСТРУКТУРА БОРИРОВАННЫХ ОБРАЗЦОВ ИЗ СТАЛИ 20Л
Т. В. Мустафина, Г.А. Околович
Статья посвящена исследованию влияния борирования на деформационные характеристики стальных образцов. Установлено, что борирование уменьшает склонность стали к образованию остаточных деформаций, что благотворно сказывается на долговечность литейных многоразовых форм. Приведены микроструктуры борированной литой стали и показано ее изменение при длительном высокотемпературном нагреве.
Ключевые слова: борирование, деформация, структура, долговечность, литая сталь, многоразовая форма.
Одним из способов повышения долговечности металлических литейных форм-кокилей является химико-термическая обработка (ХТО) [1]. В литературе отсутствует исчерпывающая информация о режимах ХТО для литейных многоразовых форм, о поведении форм после ХТО. Это затрудняет выбор материалов и условий проведения ХТО и делает необходимым всестороннее изучение поведения материалов для многоразовых форм, изменение их свойств и структуры при повышенных температурах и в условиях воздействия многократных тепловых ударов. Влияние ХТО на свойства многоразовых форм оценивалось по изменению реологических свойств при нагревании и в результате воздействия теплосмен.
Для изучения деформационных (реологических) характеристик использовалась специальная установка, снабженная печью для нагрева образцов в диапазоне температур 20...10000С. Величина прогиба образцов под действием постоянной нагрузки определялась с точностью 0.001 мм и фиксировалась цифровой видеокамерой. Из всех способов ХТО для улучшения реологических характеристик литой стали использовались бориро-вание и алитирование.
Борирование стальных образцов проводилось из сухих борсодержащих смесей и обмазок при температурах от 800 до 9700С. Наилучшие результаты были получены после термоциклического борирования по известной технологии [2] путем последовательной выдержки образцов в изолирующей засыпке при 9700С и 7000С в различных печах. Такой режим ХТО формирует наиболее качественный борированный слой толщиной до 100 мкм (рис. 1 и 2). Металографические иссле-
дования шлифов проводились на микроскопе ММР-4, а измерение микротвердости на приборе ПМТ-3. После борирования при печном нагреве образовался диффузионный слой, включающий боридную и переходную зоны. Боридный слой на низкоуглеродистых сталях имеет характерное игольчатое строение. При этом бориды имеют строго ориентированную, перпендикулярную поверхности насыщения, направленность. Отдельные кристаллы прорастают вглубь металла, с течением времени толщина игл увеличивается и кристаллы сливаются в сплошной слой. Боридная зона состоит из боридов РеБ и Ре2В. Твердость этих фаз составляет соответственно 2000 и 1800 НУ. Борид РеБ располагается в верхнем слое, Ре2Б под ним. Под боридной зоной располагается переходная зона которая представляет собой, твердый раствор бора в железе. На низкоуглеродистых сталях толщина переходной зоны в 5-6 раз превышает толщину боридного слоя [3]. Толщина полученного слоя на внутренней поверхности образца составила около 80-100 мкм, на внешней поверхности 50-70 мкм, что связано, возможно, с более высокой температурой внутри образца.
Рисунок 1 - Микроструктура борированной
стали 20Л (внешняя поверхность ПОЛЗУНОВСКИЙ ВЕСТНИК 1/1-2012
МУСТАФИНА Т.В., ОКОЛОВИЧ Г.А.
цилиндрического образца)
Рисунок 2 - Микроструктура борированной стали 20Л (внешняя поверхность цилиндрического образца)
Другим достоинством рассматриваемого способа является легкое отделение бори-рующей смеси с образованием поверхности с равномерным микрорельефом, который благоприятно сказывается на адгезию обязательных изолирующих покрытий рабочей поверхности кокиля.
Борирование из обмазок зачастую приводит к образованию поверхностных дефектов, ухудшающих состояние поверхности образцов. Кроме того обмазка в процессе обработки приваривается к борируемой поверхности. Эти недостатки требуют дополнительных операций по очистке поверхности металлической формы после ХТО.
Деформация обращен при температуре 800° С с нагружевием 3 МИН) тм.
Время, с
Рисунок 3 - Прогиб образцов при температуре 7500С
На рисунках 3 и 4 приведены результаты измерения прогиба экспериментальных образцов при различных температурах. Из приведенных результатов видно, что борирование уменьшает все виды деформаций, в том числе и остаточные (почти в три раза), которые склонны к накоплению в процессе длительного термоциклирования. Следует отметить, что после борирования образцы с кон-
тейнером извлекались из печи и охлаждались на воздухе.
Деформация обратное при температуре "50" ( с иагружением 3 минуты.
Врем* с
Рисунок 4 - Прогиб образцов при температуре 8000С
Образцы для сравнения (эталонные образцы) испытывались дважды: после изготовления с литой структурой и после нагрева и охлаждения совместно с борируемым образцом. Образец с литой структурой имеет меньшую склонность к образованию остаточных деформаций по сравнению с образцом, прошедшим тепловую обработку по режиму борирования. В результате сравнительных испытаний борируемых и эталонных образцов установили, что при борировании протекают два процесса. Образование боридных соединений в поверхностном слое уменьшает склонность к образованию остаточных деформаций, а укрупнение зерна в процессе нагрева для борирования приводит к росту этих деформаций.
Укрупнение зерна в структуре стали после борирования требует применения термообработки для ее измельчения. Для этого принят следующий режим термообработки [3]: закалка путем нагрева до 9000С с последующим охлаждением в воде и низкотемпературный отпуск при 1700С. После такой закалки реологические свойства борированных и не-борированных образцов различаются незначительно (рис. 5). Из этих результатов следует, что принятая термообработка неблагоприятно влияет на свойства борированного образца и следует разработать более приемлемый режим.
Для определения стойкости борирован-ной стали против термических напряжений образцы окунались в жидкий алюминиевый расплав при температуре 8000С и охлаждались в воде при температуре 200С. На рис. 6
РЕОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И МИКРОСТРУКТУРА БОРИРОВАННЫХ ОБРАЗЦОВ
ИЗ СТАЛИ 20Л
приведены результаты замеров деформации образца после закалки и теплосмен.
Деформация обращов при температуре "50* С с нагружением 3 минуты.
Время.с
в » 1» I» 200 250 ЭМ
Рисунок 5 - Прогиб образцов после закалки и отпуска
Деформация обращов при температуре 800° С с нагружением 3 минуты.
Время, с
неборирова нный образе1
350 / Ёе
JUU
■ борированный образец
»
1
Рисунок 6 - Деформация образцов после 100 теплосмен
Из приведенных результатов видно, что не смотря на то,что после закалки деформационные характеристики борированных и неборированных материалов близки, борированный образец имеет при температуре испытания меньшие деформации. Это свидетельствует о том, что бориро-ванная поверхность многоразовой литейной формы не будет накапливать больших остаточные деформаций. Это благоприятно скажется на ее долговечность.
Рисунок 7 - микрошлиф борированного образца после длительного нагрева
После проведения испытаний, при температуре 650-800С, строение боридного слоя изменилось (рис 7), боридные иглы укрупнились, в сплошном слое исчезли границы кри-сталов, концы кристаллов скруглились, но это не привело к снижению микротвердости, свойства слоя не ухудшились. HV100 от поверхности вглубь изменяется соответственно (кг/мм2): 1530, 1100, 946, 824 в боридном слое и 160 в переходной зоне
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1 Литье в кокиль/ C.ri. Бураков, А.И.Вейник, Н.П. Дубинин и др.. Под ред. А.И. Вейника. - Машиностроение, 1980, 415 с., ил.
2 Гурьев А.М., Козлов Э.В., Игнатенко Л.Н., Попова Н.А. Физические основы термоциклического борирования. - Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2000, 216 с., ил.
3 Ворошнин Л.Г. Борирование промышленных сталей и чугунов: (Справ. Пособие). - Мн: Беларусь, 1981. 205 с., ил
Мустафина Т.В., аспирантка, е- mail: [email protected]
Околович Г.А., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой МТиО, ФГБОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползу-нова»
