CC BY
30
УДК 621.9.048.7:669.15'74
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И ОСОБЕННОСТИ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОГО БОРИРОВАНИЯ НИЗКОУГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ В ВАКУУМЕ
ДАШЕЕВ Д.Э., СЕМЕНОВ А.П., СМИРНЯГИНА Н.Н.
Институт физического материаловедения Сибирского отделения РАН, 670047, Бурятия, г. Улан-Удэ, ул. Сахъяновой, 6
АННОТАЦИЯ. Исследованы условия образования, структура и свойства слоев на основе боридов железа на углеродистых сталях (3, 20, 45 и У8А) при электронно-лучевом борировании и в результате взаимодействия оксида Fe2O3, бора и углерода под воздействием электронного пучка в вакууме.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: электронно-лучевое борирование, электронно-лучевая наплавка продуктов СВС процесса, микроструктура.
ВВЕДЕНИЕ
Модифицирование поверхности металлов и сплавов позволяет увеличивать срок службы и повысить надежность работы различных деталей машин и инструментов. В последнее время наряду с традиционными в современном машиностроении методами получения защитных покрытий, повышающих твердость и износостойкость деталей, таких как цементация, азотирование, нитроцементация, борирование, хромирование и др., все больше используют пучковые технологии, например, обработку лазерным лучом и
9 2
электронным пучком. Использование электронного нагрева с высокой (>10 Вт/м ) удельной мощностью в вакууме имеет преимущества благодаря быстрому безынерционному достижению предельно высоких температур и легкости регулирования нагрева в широком диапазоне температур.
В настоящей работе исследованы условия образования, структура и свойства слоев на основе боридов железа на углеродистой стали 45 под воздействием электронного пучка в вакууме.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Твердофазное борирование (метод химико-термической обработки ХТО) проводили в порошковой смеси в контейнере с плавким затвором по следующему режиму: порошок состава 97 мас % B4C и 3 мас % KBF4, температура - 950 оС, продолжительность - 4 часа [1].
Электронно-лучевое борирование. Исследования проводили на образцах, изготовленных из углеродистой стали 45 в форме цилиндров с диаметром 15 мм и высотой 7 мм. Образцы готовили путем нанесения обмазки на предварительно подготовленную поверхность стали. Толщина обмазки была одинакова, не превышала 1 мм. В состав обмазки входили 1:1 по объему карбид бора B4C (квалификации «технический») или бор аморфный. (с содержанием основного компонента не менее 95 мас %) и органическое связующие -раствор 1:10 клея БФ-6 в ацетоне. Обработку образцов проводили в течение 2 - 5 мин при мощности электронного пучка 150 - 300 Вт в установке с мощной аксиальной электронной
-3
пушкой [2]. Остаточное давления в вакуумной камере не превышало 2-10 Па.
Рентгенофазовый анализ (РФА) осуществляли на дифрактометрах ДРОН-2М (Со Ka - излучении) и D8 фирмы Bruker (Cu Ka - излучении с внутренним стандартом Si).
Микротвердость и микроструктуру сформированных слоев, определяли на микротвердомере ПМТ-3 c фотонасадкой - цифровой камерой Olympus c4000 zoom с оптическим увеличением х3 или использованием металлографического микроскопа "Neophot-21". Нагрузка на алмазную пирамиду составляла 50 или 100 г.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
По данным РФА поверхностный слой после ХТО состоит из борида железа БеБ и борированного цементита.
Микроструктуры боридных слоев приведены на рис. 1. Известно [1], что в низкоуглеродистых сталях боридный слой имеет игольчатое строение, при котором иглы боридов, срастаясь в основаниях, образуют сплошной слой (рис. 1, а и б). В высокоуглеродистых сталях боридные иглы укрупнены, а концы их скруглены (рис. 1, в). Непосредственно к иглам боридов примыкают перистые выделения карбоборидной фазы. Микротвердость боридных игл составляет 1300 - 1350 HV, перистых выделений 300 - 330 HV. Толщина слоя - 70 - 90 мкм.
Рис. 1. Микроструктуры боридных слоев, сформированных твердофазным борированием на сталях:
а - 20; б - 45; в - У8А; а, б - х250; в - х500
Метод электронно-лучевого борирования [3], по своему механизму, вероятно, является модификацией способа борирования из твердофазных насыщающих обмазок при химико-термической обработке. Его новизной является воздействие электронного пучка на борсодержащую обмазку в вакууме. Применение высококонцентрированного источника энергии позволяет очень быстро передавать энергию электронного пучка при его соударении с поверхность обрабатываемого металла или сплава, нагревать зону контакта до очень высоких температур. Это способствует увеличению диффузии бора из насыщающей обмазки по поверхности и проникновению его в объем металла, взаимодействию и образованию боридов железа (рис. 2). Толщина боридного слоя зависит от состава борирующего компонента. Слои толщиной 300 - 360 мкм получены при использовании аморфного бора, а толщиной 100 - 150 мкм - карбида бора. Количество наносимых слоев определяет, в целом, толщину насыщающей обмазки, а, следовательно, и толщину образующегося боридного слоя на обрабатываемой поверхности сплава. Насыщающую обмазку наносили, намазывая один или несколько слоев. Затем обрабатываемую поверхность сушат на воздухе, а только после удаления растворителя, помещают в вакуумную рабочую камеру и начинают процесс электронно-лучевого борирования.
На рис. 2 приведены зависимости массы образующего слоя от общей массы насыщающей обмазки. Общее количество клеевых слоев достигало от 1 до 5 (аморфный бор) и 1-4 (В4С).
Как следует из рис. 2, для формирования боридного слоя с наибольшей массой (толщиной) достаточно нанести один клеевой слой борирующего компонента, как в случае использования аморфного бора, так и при применении карбида бора. Исходные образцы стали 45 были предварительно нормализованы при температуре 930 оС в течение 7 мин, охлаждены на воздухе.
0.0015
в? =
=
В
§ 0
н
18000
22000
26000
30000
Плотность мощности эл.пучка, Вт/мм2
Рис. 2. Влияние мощности электронного пучка на толщину боридного слоя (сталь Ст3, обмазка на основе Ваморф, время воздействия 1мин)
§ 0.0005
0.0000
0.000
0.050
0.150
0.200
0.100 Масса обмазки, г -о Ваморф -■- В4С
Рис. 3. Зависимость массы боридного слоя от количества слоев борирующего компонента (сталь Ст3, W=270 Вт, время воздействия 5 мин)
0.0010
Толщина боридного слоя зависит и от мощности электронного пучка (рис. 3). Эта зависимость имеет большое практическое значение, поскольку позволяет контролировать технологический показатель (удельную мощность, а, следовательно, и ток электронного пучка, и ускоряющее напряжение) в зависимости от величины требуемой толщины боридного слоя.
Фазовый состав боридного слоя также зависит от состава борирущего компонента. По данным РФА, слои содержат бориды Fe2B (ASTM 3-1053) и FeB (ASTM 3-957), но количественное соотношение их различно. В боридном слое, сформированном на основе аморфного бора, преобладает борид Fe2B. Борид FeB является преобладающей фазой в боридном слое, образованном из насыщающей обмазки на основе карбида В4С. На рентгенограммах присутствуют также линии, принадлежащие ферриту (a-Fe, ASTM 6-696), отсутствуют рефлексы борированного цементита (Fe23(C,B)6, ASTM 12-570).
На рис. 4 представлены микроструктуры боридных слоев на стали 45.
а б в г
Рис. 4. Микроструктуры слоев, сформированных на стали 45: а, б - обмазка на основе В4С; в, г - обмазка на основе аморфного В; а - х250; б - х630; в - х100; г - х500
Боридный слой, сформированный из обмазки на основе карбида бора (рис. 4, а, б) состоит из округлых включений, располагающихся на поверхности слоя и эвтектики, имеющих микротвердость 820 - 840 НУ и 510 - 530 НУ. Округлые включения являются первичными кристаллами боридов, что отвечает энтропийному критерию устойчивости ограниченной формы кристаллов при кристаллизации в условиях, приближенных к равновесным. Согласно этому критерию, если значение энтропии плавления (AS) не превышает 2 кал/(моль-К), кристаллы имеют округлую форму [4]. Полученные в работе [5] значения энтропии плавления для борида железа Fe2B составляет AS=1,5 кал/(моль-К). В свою очередь, округлые формы боридов определяют форму кристаллов эвтектики.
Боридный слой, сформированный из обмазки на основе аморфного бора, имеет другую структуру (рис. 4, в, г). Он состоит из частиц различной формы: ромбической, призматической, дендритной. На поверхности слоя располагается сплошная светлая пленка
с иглами, направленными вглубь образца. Микротвердость ее составляет 1200 - 1250 НУ. Внутри пленки встречаются редкие (1 - 2) крупные включения с микротвердостью 1750 - 1820 НУ. Под пленкой находятся первичные кристаллы и эвтектика с микротвердостью 840 - 880 НУ и 500 - 540 НУ, соответственно.
Согласно [6], борид железа Бе2Б имеет обьемноцентрированную тетрагональную кристаллическую решетку (Пр. группа 14/тст с параметрами элементарной ячейки а = 0,51087 нм, с = 0,42497 нм). При формировании слоя из обмазки, содержащей аморфный бор, кристаллы борида железа наследуют форму элементарной ячейки. Поэтому, первичные кристаллы боридов имеют форму ромбов, параллелограммов и т.д., обусловленную разными углами наклона кристаллической решетки (призмы) к плоскости шлифа. Следует отметить, что аналогичные формы кристаллов боридов наблюдаются и при лазерном борировании [7].
В настоящей работе сделали попытку формирования слоев на основе боридов Бе2Б и БеБ в процессе синтеза их из стехиометрических смесей с участием Бе203, Б и С на поверхности стали 45. Для этого брали смесь исходных компонентов в соотношении Бе203 : 3Б : 3С (Бе2Б) и Бе203 : 2Б : 3С (БеБ), тщательно перетирали в агатовой ступке, смешивали с органическим связующем и реакционную смесь поверхности образца стали 45. Электроннолучевую обработку проводили в вакууме не выше 2-10" Па при мощности электронного пучка W = 250 - 450 Вт в течение 1 - 3 мин.
Рис. 5. Микроструктура боридного слоя Fe2B (а), FeB (б) и FeB+B2O3 (в) на поверхности стали 45: х-400
По данным РФА, боридный слой преимущественно состоит из борида Бе2Б. Слой образца со стехиометрической смесью Бе203 : 2Б : 3С (БеБ) имеет в своем состава борид БеБ.
Толщина боридных слоев составляла 200 - 280 мкм (Бе2Б ) и 50 - 80 мкм (БеБ). Микроструктура слоя на основе Бе2Б представлена на рис. 5, а. Структура сложная, включает первичные кристаллы борида, дендритные включения эвтектики. На рис. 5, б приведена микроструктура слоя на основе борида БеБ.
Применение защитного слоя аморфного оксида способствовало получению равновесного боридного слоя. Во всех слоях наблюдали эвтектики, имеющие микротвердость 650 - 700 НУ. Округлые и протяженные включения имели упорядоченное расположение в слое, их микротвердость в слоях была: БеБ (1080 и 1150 НУ), БеБ+Б203 (1250 и 1150 НУ), соответственно. Округлые включения были лишь в слоях Бе2Б (1200 НУ) и Бе2Б+Б203 (1150 НУ).
Материалы статьи обсуждались на научной конференции «Байкальские чтения: наноструктурированные системы и актуальные проблемы механики сплошной среды (теория и эксперимент)» (г. Улан-Удэ, 19-22 июля 2010 г.) и рекомендованы к публикации в журнале «Химическая физика и мезоскопия».
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Химико-термическая обработка металлов и сплавов : справочник / 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 электронно-лучевым нагревом // Сб. статей «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 сталей и чугунов // Патент РФ № 2186872. 2002. Бюл. №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 Ге-Ре2В и №-№3В // Металловедение и термическая обработка металлов. 1983. № 1. С. 2-3.
6. Кубашевски О. Диаграммы состояния двойных систем на основе железа. М. : Металлургия, 1985. 157 с. (стр. 25-28).
7. Сафонов А.Н. Особенности борирования железа и сталей с помощью непрерывного СО2-лазера // Металловедение и термическая обработка металлов. 1998. № 1. С. 5-9.
MATHEMATICAL MODELING AND FEATURES OF ELECTRON BEAM BORIDING OF LOW CARBON STEELS IN VACUUM
Dasheev D.E., Semenov A.P., Smirnyagina N.N.
Department of Physical Problems of Buryat Scientific Centre, Siberian Department of RAS, Ulan-Ude, Russia
SUMMARY. Conditions of formation, structure and properties of boride iron layers on carbon steels at electron beam borating are investigated. New process to make layers of iron borides (Fe2B, FeB) using electron beam are reported. The microstructure and microhardness of boride layers are investigated and also are compared to layer properties obtained at solid phase borating.
KEYWORDS: electron beam boriding, electron beam surface alloys of high temperature self synthesis products, microstruture.
Дашеев Доржо Эрдэмович, научный сотрудник ИФМ СО РАН
Семенов Александр Петрович, доктор технических наук, директор ИФМ СО РАН, заместитель председателя Президиума БНЦ СО РАН
Смирнягина Наталья Назаровна, доктор технических наук, главный научный сотрудник ИФМ СО РАН, е-mail: ionbeam@pres.bscnet.ru
