Материаловедение УДК 539.213 СТРУКТУРА ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ В СТ 45 ПРИ БОРИРОВАНИИ
advertisement
Материаловедение УДК 539.213 СТРУКТУРА ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ В СТ 45 ПРИ БОРИРОВАНИИ А.А. Лукин, О.А. Лукин, И.Ю. Моляков Исследуются свойства стали 45 при электролизном борировании. Выявлены влияние постоянного и реверсированного токов на фазовый состав и физические свойства стали и причина высокой хрупкости боридных слоев и трещинообразования Ключевые слова: электролизное борирование, структура, фазовый состав Борирование применяют для повышения износостойкости изделий из металлов и сплавов. Для борированных слоев характерны высокая коррозионная стойкость в ряде агрессивных сред, повышенная окалиностойкость, сохранение высокой твердости при нагреве. Это позволяет использовать борированные изделия в особо жестких условиях эксплуатации: трение скольжения без смазки, абразивное изнашивание, изнашивание в вакууме, при повышенных и высоких температурах, в агрессивных средах. Борированию можно подвергать любые стали. Борированный слой имеет игольчатое строение и состоит из боридов FeB (на поверхности) и Fe2В. Под слоем боридов располагается переходной слой, состоящий из α-раствора бора в железе. На легированных сталях под слоем сплошных боридов образуется зона α - раствора, боридов железа и легирующих элементов. Необходимым условием формирования диффузионного слоя является наличие у насыщенной поверхности активного атомарного бора; кроме того, температура и длительность выдержки должны обеспечить протекание диффузии атомарного бора в стали с образованием химических соединений - боридов железа. Оптимальный режим электролизного борирования реверсированным током наблюдался для периодов реверсирования С увеличением глубины количество FeB уменьшается, а F2B увеличивается. Количество FeB превышает количество Fe2B даже на глубине 75 мкм. В борированном слое практически нет зон, где сосуществовали бы три фазы: Fe, Fe2B и FeB. Феррит сосуществует только совместно с Fe2B, очевидно там, где иглы борида Fe2B проникают вглубь металлической матрицы стали. На глубине 125 мкм от поверхности FeB полностью исчезает и появляются следы феррита. Полностью борид железа Fe2B исчезает на глубине 160-175 мкм. На этой глубине обнаруживается только феррит. Полученные данные хорошо коррелируют с изменением микротвердости по глубине диффузионных слоев (рис. 1). Так как борид FeB имеет максимальную твердость (21000 МПа), то наиболее твердыми оказываются слои от 0 до 80-90 мкм. Слои на глубине от 100 до 140 мкм имеют твердость 17000-16000 МПа, что близко к твердости борида Fe2B. На глубине 160 и более микрон микротвердость равна микротвердости нормализованной стали 45. На графике Нм = f(h), где h – толщина (глубина) слоя, а Нм – значение микротвердости, имеются резко выраженные спады микротвердости на глубине 90 мкм и 140 мкм, что соответствует исчезновению в диффузионном слое борида сначала FeB, а затем и Fe2B. Тр = τа + τк Тр лежит в пределе 1,2 – 1,9 с. Здесь τа – анодный промежуток (полупериод), т.е. время прохождения обратного тока после переключения полярности, τ к – катодный промежуток (полупериод), т.е. время прохождения тока в прямом направлении. Для оптимального, т.е. наиболее интенсивного борирования τа равна 0,4 – 0,5 с, τк 0,8 – 1,4 с. Плотность тока в прямом направлении равна 20004000 А/м2, в обратном – 2000 А/м2. В слое толщиной в 25 мкм присутствует 88 % FeB и 12 % Fe2B. Феррит отсутствует на поверхности борированной стали. _______________________________ Лукин Анатолий Александрович – ВГТУ, канд. физ.-мат. наук, доцент, тел. (473) 246-66-47 Лукин Олег Анатольевич – МИИТ, канд. физ.-мат. наук, доцент, тел. (473) 246-66-47 Моляков Илья Юрьевич – ВГТУ, студент, тел. (473) 246-66-47 62 Рис. 1. Распределение фаз (а); изменение микротвердости (б) по глубине диффузионного слоя борированной стали При исследовании диффузионных слоев, полученных из расплава буры с 3 % Та2О5 в течение 1-2 часа, обнаруживаются фазы Fe2B, FeB, Fe2Ta и TaB2. В связи с разной скоростью диффузии атомов бора и тантала из-за разных величин их атомных радиусов глубина проникновения тантала меньше толщины боридного слоя. В приповерхностном слое формируются фазы Fe2Ta и TaB2, а под ними последовательно бориды FeB и Fe2B [1]. FeB TaB2 Fe2Ta Fe2B С увеличением глубины от поверхности образца количество Fe2Ta уменьшается до нуля, что и приводит к росту микротвердости по мере удаления от поверхности, так как микротвердость фазы Fe2Ta меньше чем боридов. Уменьшение микротвердости на глубине большей 40 мкм обусловлено уменьшением количества FeB и увеличением количества борида Fe2B. На глубине 60 мкм борид FeB исчезает. Следы феррита появляются на глубине 80 мкм. Борид Fe2B исчезает полностью на глубине 110 мкм. Глубже 110 мкм рентгенографически обнаруживается только одна фаза – феррит [2]. На рис. 4 показано количественное изменение боридов Fe2B, FeB и феррита по глубине диффузионного слоя, полученного насыщением постоянным током при температуре 1173 К. Плотность тока менялась ступенчато в диапазоне 1000-6000 А/м2, а длительность насыщения – в пределах 1-3 часа. Рис. 2. Рентгенограмма с поверхностного слоя, полученного из расплава буры с 3 % Та2О5 В присутствии углерода переходные металлы могут образовывать с бором только дибориды. Известно, что при нагревании TaB в присутствии углерода образуется диборид TaB2. Измерение микротвердости по толщине диффузионного слоя танталоборированной стали показывает (рис. 3), что по мере удаления от поверхности вглубь образца микротвердость растет и достигает максимума на глубине 30-40 мкм. Рис. 4. Количественное изменение боридов FeB (а), и Fe2B (б) по глубине диффузионного слоя в зависимости от величины насыщающего реверсивным (1) и постоянным (2) токами Рис. 3. Распределение фаз (а) и изменение микротвердости (б) по глубине диффузионного слоя танталоборированной стали Анализ приведенных кривых показывает, что при повышении плотности тока в слое увеличивается содержание FeB как при использовании постоянного тока, так и реверсированного. При этом зона сплошности борида Fe2B сужается. И наоборот, понижение плотности тока ведет к уменьшению количественного содержания борида FeB и расширению зоны сплошности борида Fe2B. Применение реверсированного тока по сравнению с постоянным приводит к увеличению в диффузионном слое доли фазы FeB [3]. 63 Исследования в настоящей работе показали, что применение реверсированного тока при всех видах насыщения стали из расплавов не влияет на качественный фазовый состав диффузионных слоев. Однако рентгенограммы, снятые с образцов, полученных электролизным способом при применении реверсированного тока, отличаются от таковых для слоев, полученных с помощью постоянного тока. Линии на рентгенограмме, снятой с борированного при постоянном токе образца, выглядят более размытыми, чем на снимках с образцов, борированных реверсированным током (рис. 5). распределения элементов, в частности бора, в слое, рассасывания границ смыкания боридных игл [4]. Рентгенографические исследования борированных постоянным током образцов показали наличие текстуры боридов как FeB, так и Fe2B. С повышением температуры процесса насыщения степень текстуры боридного слоя уменьшается, так как активность диффундирующего бора увеличивается. Более равномерное распределение бора, как вдоль поверхности, так и по глубине слоя при применении реверсированного тока уменьшает степень текстуры боридов железа. Этому способствует также активирование бора в анодный полупериод. Таким образом исследования борированных слоев позволяют прийти к заключению, что причиной высокой хрупкости боридных слоев и трещинообразования помимо самой природы соединений является совместное действие макро- и микронапряжений, неоднородность боридных слоев, и резкое различие удельных объемов и коэффициентов теплового расширения боридных фаз железа. Литература Рис. 5. Рентгенограммы, снятые с образцов борированных постоянным током (а) и реверсированным током (б) 1. Глухов В. П. Боридные покрытия на железе и сталях / В.П. Глухов – Киев, 1970 – 208 с. 2. Борсяков А.С. Морфология и нелинейная самоорганизация боридных фаз в армко-железе. / А.С. Борсяков, В.А. Юрьев, А.П. Котов - Курск, 1999. 6-8 с. 3. Борсяков А.С. Исследование свойств и закономерностей формирования боридных покрытий на металлах и сплавах подгруппы железа/ Борсяков А.С. - Воронеж: ВПИ, 1974, 27 с. 4. Горелик С.С. Рентгенографический и электронно-оптический анализ / С.С. Горелик, Л.Н. Расторгуев, Ю.А. Скаков. М.: Металлургия, 1970. 368 с. Сравнение рентгенограмм свидетельствует о более напряженном состоянии структур в образцах, подвергнутых диффузионному насыщению постоянным током. Напряжения, возникающие в слое за счет структурного образования, неравномерного распределения концентрации элементов вдоль поверхности в микрообъемах слоя и вызывают искажения решетки. Применение реверсированного тока создает условия в анодный полупериод для частичной релаксации внутренних напряжений за счет более однородного Воронежский государственный технический университет Воронежский филиал Московского института инженеров транспорта STRUCTURE OF THE SURFACE LAYER IN ARTICLE 45 AT BORATING A.A. Lukin, О.A. Lukin, I.Ju. Moljakov Investigate the properties of 45 steel with èlektroliznom borirovanii. Identified vlinie permanent and reversed currents on the phase composition and physical properties of steel and the reason for high-layer and crack exposed the fragility of the boridnyh Key words: electrolysis borirovaniye, structure, phase structure 64
