Жаропрочность слоев боридов переходных металлов на

Б.В. Раднаев, Б.В. Раднаев, А.С. Милонов, Н.Н. Смирнягина. Жаропрочность слоев боридов переходных металлов на углеродистой стали ст20
По данным РФА, боридный слой преимущественно состоит из борида Fe2B. Слой образца со стехиометрической смесью Fe2O3:2B:3C (FeB) имеет в своем составе борид FeB. Толщина боридных
слоев составляла 200-280 мкм (Fe2B) и 50-80 мкм (FeB). Микроструктура слоя на основе Fe2B представлена на рис. 5а. Структура сложная, включает первичные кристаллы борида, дендритные включения эвтектики. На рис. 5б приведена микроструктура слоя на основе борида FeB.
Применение защитного слоя аморфного оксида способствовало получению равновесного боридного слоя. Во всех слоях наблюдали эвтектики, имеющие микротвердость 650-700 HV. Округлые и
протяженные включения имели упорядоченное расположение в слое, их микротвердость в слоях была: FeB (1080 и 1150 HV), FeB+B2O3 (1250 1150 HV) соответственно. Округлые включения были лишь
в слоях Fe2B (1200 HV) и Fe2B+B2O3 (1150 HV).
Литература
1. Справочник. Химико-термическая обработка металлов и сплавов / под ред. Л.С. Ляховича. – М.: Металлургия, 1981.
– 424 с.
2. Григорьев Ю.В., Семенов А.П., Нархинов В.П. и др. Мощная плавильная технологическая печь с электроннолучевым нагревом // Комплексное использование минерального сырья в Забайкалье. – Улан-Удэ: Изд-во БНЦ СО РАН,
1992. – С. 139-148.
3.Семенов А.П., Сизов И.Г., Смирнягина Н.Н. и др. Способ электронно-лучевого борирования стали и чугуна // Патент
РФ № 2186872. – 2002. – БИ №22.
4. Таран Ю.Н., Мазур В.И. Структура эвтектических сплавов. – М.: Металлургия, 1978. – 312 с.
5. Тавадзе Ф.Н., Горибашвили В.И., Накаидзе Ш.Г. Форма растущих кристаллов первичных фаз в эвтектических сплавах систем Fe-Fe2B и Ni-Ni3B // МиТОМ. – 1983. – №1. – С. 2-3.
6. Кубашевски О. Диаграммы состояния двойных систем на основе железа. – М.: Металлургия, 1985. – С. 25-28.
7. Сафонов А.Н. Особенности борирования железа и сталей с помощью непрерывного СО2-лазера // МиТОМ. – 1998. –
№ 1. – С. 5-9.
Дашеев Доржо Эрдэмович, научный сотрудник, лаборатория электрофизики, отдел физических проблем, Бурятский научный центр СО РАН. 670047, Улан-Удэ, ул. Сахьяновой, 8
Смирнягина Наталья Назаровна, доктор технических наук, главный научный сотрудник, лаборатория электрофизики,
отдел физических проблем, Бурятский научный центр СО РАН. 670047, Улан-Удэ, ул. Сахьяновой, 8, e-mail:
ionbeam@pres.bscnet.ru
Халтанова Валентина Михайлова, кандидат физико-математических наук, доцент, кафедра экспериментальной и теоретической физики, Бурятский госуниверситет. 670000, Улан-Удэ, ул. Смолина, 24а
Dasheev Dorzho Erdemovuch, researcher, laboratory of electrophysics, department of physical problems, Buryat Scientific Center SB RAS.
Smirnyagina Natalya Nazarovna, doctor of engineering, chief researcher, laboratory of electrophysics, department of physical
problems, Buryat Scientific Center SB RAS.
Khaltanova Valentina Mikhailovna, candidate of physics and mathematics, associate professor, department of experimental and
theoretical physics, Buryat State University.
УДК 621.9.048.7:669.15’74
ЖАРОПРОЧНОСТЬ СЛОЕВ БОРИДОВ ПЕРЕХОДНЫХ МЕТАЛЛОВ
НА УГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ СТ20
Б.В. Раднаев, Б.В. Раднаев, А.С. Милонов, Н.Н. Смирнягина
Работа выполнена при частичной финансовой поддержке РФФИ №10-08-00918а.
Исследованы и сопоставлены микроструктуры и микротвердость боридных слоев, сформированных различными методами – электронно-лучевым борированием в вакууме и химико-термической обработкой насыщающих обмазок. Сформированные слои обладают гетерогенной структурой, сочетающей твердые и пластичные компоненты, приводящие к уменьшению хрупкости боридного слоя.
Ключевые слова: боридные слои, жаропрочность, термическая стабильность, гетерогенная микроструктура
199
ВЕСТНИК БУРЯТСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА
2011/3
HEAT RESISTANCE OF LAYERS OF TRANSITIVE METALS BORIDES ON CARBON STEEL ST20
Bair V. Radnaev, Bato V. Radnaev, A.S. Milonov, N.N. Smirnyagina
The microstructure and microhardness of boride layers are investigated and compared to layer properties obtained at borating
by thermo-chemical treatment of sating daub and electron beam boriding in vacuum. The formed surface layers have heterogeneous
structure combining solid and weak components and resulting in fragility reduction of boride layer.
Keywords: boride layers, heterogeneous microstructure, microhardness, heat resistance and thermal stability.
На сегодняшний день в условиях постоянно развивающейся техники повышаются требования к
прочности материалов деталей машин, приборов и инструментов, особенно к их жаропрочности и
жаростойкости. Бориды переходных металлов обладают высокими температурами плавления (свыше
2000оС) и значениями твердости, достаточно устойчивы к окислению, поэтому представляют особый
интерес. Боридные слои имеют высокие физико-механические характеристики. Микротвердость слоев достигает 2000 МПа, причем эти значения могут сохраняться до температур ~ 600-700оС, что позволяет применять борирование для повышения износостойкости изделий, работающих при высоких
температурах [1-3].
В работе получены слои в результате электронно-лучевого борирования (ЭЛБ) [4]. На предварительно подготовленную поверхность образцов наносили обмазку толщиной 0,5-1 мм. В состав насыщающей обмазки входили карбид бора В4С и органическое связующее. Электронный нагрев – в течение 2-5 мин при удельной мощности 2-2,5 Вт/см2. Остаточное давление в вакуумной камере не превышало 2×10-3 Па. Твердофазное борирование методом ХТО проводили при температуре 950°С в течение 4 ч в порошковой смеси, содержащей 97 мас.% В4С и 3 мас.% КВF4, в контейнере с плавким
затвором [5].
Результаты и их обсуждение
Исследование структуры поверхностных слоёв после твердофазного борирования и ЭЛБ выявило
особенности строения. После твердофазного боридный слой имеет игольчатое строение, под ним
располагается переходная зона. После ЭЛБ переходной зоны нет, видна чёткая граница между слоем
и основным металлом. Слой состоит из округлых кристаллов, располагающихся на поверхности или
в объеме и эвтектики (рис. 1). Толщина слоя достигает после твердофазного борирования 70-90 мкм,
а после электронно-лучевого – 250-300 мкм.
a
50
600oC
700oC
800oC
900oC
500oC
600oC
700oC
800oC
900oC
b
Рис. 1. Микроструктура боридных слоев на стали 20:
а – твердофазное борирование; б – электронно-лучевое борирование
200
Б.В. Раднаев, Б.В. Раднаев, А.С. Милонов, Н.Н. Смирнягина. Жаропрочность слоев боридов переходных металлов на углеродистой стали ст20
Боридные слои испытывали на термическую устойчивость и жаропрочность. Для этого все образцы нагревали в печи сопротивления КО-14 до определенных температур и выдерживали в течение 2 ч
для установления равновесия. На рис. 2 показано влияние температуры дополнительного нагрева после формирования на микротвёрдость боридных слоёв. Измерена микротвердость отдельных составляющих боридных слоев, а именно игл, сформированных при твердофазном борировании (1), округлых включений (2) и эвтектики (3) в слоях после электронно-лучевого борирования. Если в исходном
состоянии боридные слои, полученные в результате твердофазного борирования, обладают более высокой твёрдостью по сравнению со слоями, полученными при электронно-лучевом борировании, то
при нагреве до температуры 800-900оС микротвёрдость становится практически сопоставимой.
При исследовании микроструктуры выявлено, что, начиная с температуры 700°С в
боридных слоях, полученных в результате
1200
твердофазного борирования, образуются
трещины. Увеличение температуры нагрева
1000
1
приводит к росту трещины. В слоях, полу800
ченных при ЭЛБ, трещины не обнаружены
2
600
(рис. 1). Дальнейшее повышение температу3
ры нагрева до 1300оС на воздухе приводит к
400
постепенному уменьшению толщины бо200
ридных слоев (рис. 3). Наиболее интенсивно
это наблюдается в слоях, сформированных
0
0
200
400
600
800
1000
при твердофазном борировании, в которых
Т ем пер ату р а, оС
происходит потеря массы слоя и полное его
разложение при температурах выше 1150Рис. 2. Влияние температуры нагрева на микротвердость 1300оС. В слоях, полученных при электронНV50 боридного слоя: 1 – твердофазное борирование; 2 – но-лучевом борировании, трещины не обнаокруглые включения (ЭЛБ); 3- эвтектика (ЭЛБ)
ружены.
Известно, что наряду с высокой твёрдостью и износостойкостью боридные слои обладают и существенным недостатком – повышенной хрупкостью. Проведенные исследования показали, что использование электронного нагрева позволяет снизить хрупкость и повысить пластичность. В таблице 1
представлена сравнительная оценка балла хрупкости. Ее оценивали по методике [6, 7] при измерении
микротвердости.
Таблица 1
Хрупкость боридных слоев на стали Ст20
1600
Микротвердость, кг/мм2
1400
Твердофазное
борирование
Нагрузка, г
Балл хрупкости
20
0
50
1
70
2
100
4
120
5
1000оС
Округлые кристаллиты
(электронно-лучевое борирование)
Нагрузка, г
Балл хрупкости
50
0
70
1
100
2
120
4
150
4
1100оС
1200оС
Эвтектика
(электронно-лучевое борирование)
Нагрузка, г
Балл хрупкости
70
0
100
0
120
0
150
1
-
1300оС
Рис. 3. Термическая стабильность боридных слоев (сталь 20) при нагреве на воздухе, ×250
201
ВЕСТНИК БУРЯТСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА
2011/3
Из данных таблицы 1 следует, что после электронно-лучевого борирования слои более пластичны,
чем после твердофазного. Кроме того, слои после электронно-лучевого борирования имеют гетерогенную структуру, сочетающую твёрдые (хрупкие) и более пластичные структурные составляющие.
Такое сочетание отчасти объясняет отсутствие термических трещин при нагреве боридных слоёв до
высоких температур.
Хрупкость боридных слоев зависит от фазового состава. Как известно [2], балл хрупкости борида
Fe2B меньше в два раза по сравнению FeB [3]. В целом, балл хрупкости определяется фазовым
составом боридного слоя. По данным рентгенофазового анализа, слои после твердофазного
борирования состоят из боридов Fe2B, FeB и борированного цементита. Слои двухфазны. Первая зона
состоит из боридов, на поверхности располагаются иглы FeB, под ними Fe2B, а затем переходная
зона, содержащая борированный цементит. Наряду с высокой хрупкостью боридный двухфазный
слой имеет ярко выраженную склонность к скалыванию. Скалывание происходит на границе раздела
фаз. В однофазном слое скалывание наблюдается на границе непрерывного слоя. Следовательно, однофазные слои боридов меньше склонны к скалыванию.
В качестве одной из оценок хрупкости боридных слоев используют склонность их к скалыванию.
Скалывание боридного слоя при различных испытаниях на прочность в большинстве случаев начинается при общем относительном удлинении или сжатии, равном не менее 1-2%. Двухфазные (FeB +
Fe2B) боридные слои начинают скалываться при пластической деформации 1,5-3%, а однофазные
(Fe2B) – при 3-4,5%. Пластичность двухфазного боридного слоя составляет 2%. С увеличением толщины слоя склонность к скалыванию и однофазных, и двухфазных слоев увеличивается. В табл. 2
приведена сравнительная оценка показателей хрупкости (σск) и пластичности (εпред) боридных слоев,
сформированных электронно-лучевой обработкой.
Исследование εпред и σск, позволило дать оценку пластическим свойствам слоев на основе боридов
железа как на поверхности, так и в глубине слоя. Снижение хрупкости боридных слоев при электронно-лучевом борировании связано с отсутствием трещин при нагреве, поскольку для их возникновения требуются гораздо большие усилия. ЭЛБ слои более пластичны, чем после твердофазного борирования. Кроме того, слои после ЭЛБ имеют гетерогенную структуру, сочетающую твёрдые (хрупкие) и более пластичные структурные составляющие. Такое сочетание отчасти объясняет отсутствие
термических трещин при нагреве боридных слоёв до высоких температур.
Таблица 2
Механические свойства боридных слоев на стали 20
№
1
2
Обработка
Твердофазное борирование
Электронно-лучевая
Марка материала
Сталь 20
Сталь 20
εпред
1,13
1,65
σск, МПа
245
484
Балл хрупкости
4
3
Выводы
1. Выравнивание микротвёрдости боридных слоёв после традиционного и электронно-лучевого
борирования при высоких температурах (900оС) позволяет сделать вывод об использовании ЭЛБ для
упрочнения режущих инструментов и др., испытывающих разогрев в процессе работы до столь высоких температур без существенного снижения эксплуатационных свойств.
2. Формирующиеся при ЭЛБ на поверхности слои имеют гетерогенную структуру, сочетающую
твёрдые и мягкие составляющие и приводящую к снижению хрупкости боридного слоя.
Литература
1. Хокинг М., Васантасри В., Сидки П. Металлические и керамические покрытия: Получение, свойства и применение. –
М.: Мир, 2000. – 518 с.
2. Лабунец В.Ф., Ворошнин Л.Г., Киндарчук М.В. Износостойкость боридных покрытий. – Киев: Технiка, 1989. – 204 с.
3. Колубаев А.В., Тарасов С.Ю., Трусова Г.В. и др. Структура и свойства боридных покрытий // Известия вузов. Черные металлы. – 1994. – №7. – С. 49-51.
4. Семенов А.П., Смирнягина Н.Н., Сизов И.И. Установка для электронно-лучевой, химико-термической обработки //
Технология металлов. – 2001. – №4. – С. 32-34.
5. Справочник. Химико-термическая обработка металлов и сплавов / под ред. Л.С. Ляховича. – М.: Металлургия, 1981.
– 424 с.
6. Григоров П.К., Катханов Б.Б. Методика исследования хрупкости борированного слоя // Труды НИИТМа. Вып. XVI. –
Ростов н/Д, 1972. – С. 97-99
7. Скуднов В.А. Предельные пластические деформации металлов. – М.: Металлургия, 1989. – 176 с.
202
З.М. Халтаров, А.С. Милонов, Н.Н. Смирнягина, В.М. Халтанова. Особенности фазового состава и строение слоев на основе
диборида TiB2, сформированных в поверхностных слоях углеродистых сталей при воздействии интенсивных электронных
пучков в вакууме
Раднаев Баир Владимирович, аспирант, отдел физических проблем, Бурятский научный центр СО РАН. 670047, УланУдэ, ул. Сахьяновой, 8
Раднаев Бато Владимирович, аспирант, отдел физических проблем, Бурятский научный центр СО РАН. 670047, УланУдэ, ул. Сахьяновой, 8
Милонов Александр Станиславович, кандидат технических наук, младший научный сотрудник, лаборатория электрофизики, отдел физических проблем, Бурятский научный центр СО РАН. 670047, Улан-Удэ, ул. Сахьяновой, 8
Смирнягина Наталья Назаровна, доктор технических наук, главный научный сотрудник, лаборатория электрофизики,
отдел физических проблем, Бурятский научный центр СО РАН. 670047, Улан-Удэ, ул. Сахьяновой, 8, e-mail: ionbeam@pres.bscnet.ru
Radnaev Bair Vladimirivich, postgraduate student, department of physical problems, Buryat Scientific Center SB RAS.
Radnaev Bato Vladimirovich, postgraduate student, department of physical problems, Buryat Scientific Center SB RAS.
Milonov Alexandr Stanislavovich, candidate of engineering, junior researcher, laboratory of electrophysics, department of physical problems, Buryat Scientific Center SB RAS.
Smirnyagina Natalya Nazarovna, doctor of engineering, chief researcher, laboratory of electrophysics, department of physical
problems, Buryat Scientific Center SB RAS.
УДК 621.9.048.7:669.15’74
ОСОБЕННОСТИ ФАЗОВОГО СОСТАВА И СТРОЕНИЕ СЛОЕВ НА ОСНОВЕ ДИБОРИДА
TiB2, СФОРМИРОВАННЫХ В ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЯХ УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ
ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ИНТЕНСИВНЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ ПУЧКОВ В ВАКУУМЕ
З.М. Халтаров, А.С. Милонов, Н.Н. Смирнягина, В.М. Халтанова
Рассмотрены некоторые особенности кристаллического строения слоев TiB2. Слои были сформированы на углеродистых сталях С20 и У8А с использованием реакционных обмазок, содержащих оксид титана, бор и углерод. Слои получены
под действием электронных пучков импульсного и непрерывного действий. Сопоставлены свойства и структура слоев в
зависимости от способа образования. Проанализированы и сравнены условия инициирования самораспространяющегося
высокотемпературного синтеза и электронно-лучевой наплавки его продуктов.
Ключевые слова: электронно-лучевое борирование, электронно-лучевая наплавка продуктов СВС процесса, микроструктура.
PECULIARITIES OF PHASE COMPOSITION AND STRUCTURE OF LAYERS ON DIBORIDE TiB2,
FORMED IN SURFACE LAYERS OF CARBON STEELS UNDER THE INFLUENCE OF INTENSE
ELECTRON BEAMS IN VACUUM
Z.M. Khaltarov, A.S. Milonov, N.N. Smirnyagina, V.M. Khaltanova
Some features of TiB2 layers crystal structure are presented. Layers were generated on carbonaceous steels S20 and U8А with
use of reactionary daub containing the titan oxide, boron and carbon. Layers have been received under the influence of pulse and
continuous action electron beam processing in vacuum. Properties and structure are compared in depence on way of forming. The
conditions of initiation the self-extending high-temperature synthesis and electron beam surfacing of its products are analyzed and
compared.
Keywords: electron beam boriding, electron beam surface alloys of high temperature self synthesis products, microstruture.
Насыщение поверхностных слоев металлов и сплавов бором проводят с целью повышения их поверхностной твердости, износостойкости и т.д. Применение электронного нагрева с высокой (>109
Вт/м2) удельной мощностью в вакууме благодаря быстрому безынерционному достижению предельно высоких температур и легкости регулирования нагрева в широком диапазоне температур открывает широкие возможности для создания защитных слоев на основе боридов тугоплавких металлов. В
[1] сообщалось о формировании упрочняющих покрытий на основе TiB2, CrB2, VB2, W2B5 в углеродистых сталях под воздействием электронного пучка на борсодержащие реакционные обмазки в вакууме. Было сделано предположение об активной роли поверхности металлического образца при
электронно-лучевой наплавке продуктов СВС процесса, протекающего в реакционных обмазках стехиометрических смесей, инициируемого электронным пучком.
В настоящей работе изучены некоторые особенности кристаллического строения слоев на основе
TiB2, сформированных при электронно-лучевой обработке в импульсном и непрерывном режимах.
203