CC BY
16
УДК 621.9.048.7:669.15'74
СТРОЕНИЕ И ЖАРОСТОЙКОСТЬ НАНОСТРУКТУРНЫХ СЛОЕВ БОРИДОВ ПЕРЕХОДНЫХ МЕТАЛЛОВ НА УГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ 20 ПОСЛЕ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ ОБРАБОТКИ В ВАКУУМЕ
МИЛОНОВ А.С., СМИРНЯГИНА Н.Н., РАДНАЕВ Бато В., РАДНАЕВ Баир В.
Отдел физических проблем Бурятского научного центра СО РАН,
670047, г.Улан-Удэ, ул. Сахьяновой, 8
АННОТАЦИЯ. Исследованы и сопоставлены микроструктуры и микротвердость боридных слоев, сформированных различными методами - электронно-лучевом борировании в вакууме и химико-термической обработке из 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.
На сегодняшний день в условиях постоянно развивающейся техники возрастают требования к прочности материалов деталей машин, приборов и инструментов, а особенно к их жаропрочности и жаростойкости. Бориды переходных металлов обладают высокими температурами плавления (свыше 2000 оС) и значениями твердости, достаточно устойчивы к окислению, поэтому представляют особый интерес для формирования покрытий на их основе. Боридные слои имеют высокие физико-механические характеристики. Микротвердость слоев достигает 2000 МПа, причем эти значения микротвердости могут сохраняться до температур ~600-700 оС, 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 0,5-1,0 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- Па. Твердофазное борирование проводили методом химико-термической обработки 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 составляет: после твердофазного борирования 70-90 мкм, а после электронно-лучевого достигает 250-300 мкм. 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 800-900 оС микротвёрдость становится практически сопоставимой.
Рис. 1. Микроструктура боридных слоев на стали 20: а) твердофазное борирование; б) электроннолучевое борирование
1600 1400 1200 1000 800 600 400 200
200
400 600
Температура, оС
800
1000
1- твердофазное борирование; 2- округлые включения (ЭЛБ); 3- эвтектика (ЭЛБ) Рис. 2. Влияние температуры нагрева на микротвердость НУ50 боридного слоя
Выравнивание микротвёрдости боридных слоёв после твердофазного и ЭЛБ при высоких температурах (900 оС) 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.
Исследованием микроструктуры установлено, что, начиная с температуры 700 °С в боридных слоях, полученных в результате твердофазного борирования, начинают образовываться трещины. Зарождение трещины начинается с поверхности. Увеличение температуры нагрева приводит к росту трещины вглубь слоя и к её раскрытию. В слоях, полученных при ЭЛБ, трещины не обнаружены (рис. 1).
1 000 оС
1100 оС
1 200 оС
1300 оС
Рис. 3. Термическая стабильность боридных слоев (сталь 20) при нагреве на воздухе, х250
п
0
Дальнейшее повышение температуры нагрева до 1300 оС на воздухе приводит к постепенному уменьшению толщины боридных слоев (рис. 3). Наиболее интенсивно это наблюдается в слоях, сформированных при твердофазном борировании, в которых происходит потеря массы слоя и полное его разложение при температурах выше 1150-1300 оС. В слоях, полученных при электронно-лучевом борировании, трещины не обнаружены.
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 табл. 1 представлена сравнительная оценка балла хрупкости. Хрупкость оценивали по методике [6, 7] при измерении микротвердости.
Таблица 1
Хрупкость боридных слоев на стали 20
Твердофазное Округлые кристаллиты Эвтектика
борирование (электронно-лучевое борирование) (электронно-лучевое борирование)
Нагрузка, г Балл Нагрузка, г Балл Нагрузка, г Балл
хрупкости хрупкости хрупкости
20 0 50 0 70 0
50 1 70 1 100 0
70 2 100 2 120 0
100 4 120 4 150 1
120 5 150 4 - -
Из данных табл. 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 ^е2В) 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 (оск) и пластичности (епред) боридных слоев, сформированных электронно-лучевой обработкой.
Таблица 2
Механические свойства боридных слоев на стали 20
№ Обработка Марка материала ^пред Оск, МПа Балл хрупкости
1 Твердофазное борирование сталь 20 1,13 245 4
2 Электронно-лучевая сталь 20 1,65 484 3
Исследование 8пред и оск, 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.
ВЫВОДЫ
Выравнивание микротвёрдости боридных слоёв после традиционного и электроннолучевого борирования при высоких температурах (900 °С) 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.
Формирующиеся при ЭЛБ на поверхности слои имеют гетерогенную структуру, сочетающую твёрдые и мягкие составляющие и приводящую к снижению хрупкости боридного слоя.
Работа выполнена при частичной финансовой поддержке РФФИ, грант 10-08-00918а
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. Хокинг М., Васантасри В., Сидки П. Металлические и керамические покрытия: Получение, свойства и применение / пер. с англ. М. : Мир, 2000. 518 с.
2. Лабунец В.Ф., Ворошнин Л.Г., Киндарчук М.В. Износостойкость боридных покрытий. Киев : Изд-во «Техтка», 1989. 204 с.
3. Колубаев А.В., Тарасов С.Ю., Трусова Г.В. и др. Структура и свойства боридных покрытий // Изв. 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. Химико-термическая обработка металлов и сплавов : справочник / под ред. Л.С. Ляховича, М. : Металлургия, 1981. С.424.
6. Григоров П.К., Катханов Б.Б. Методика исследования хрупкости борированного слоя // Труды НИИТМа. Ростов-на-Дону. 1972. Вып. XVI. С.97-99.
7. Скуднов В.А. Предельные пластические деформации металлов. М. : Металлургия, 1989. 176 с.
STRUCTURE AND THERMAL STABILITY OF NANOCOMPOSITE BORIDES TRANSITIVE METALS LAYERS ON CARBON STEEL 20 AFTER ELECTRON BEAM PROCESSING IN VACUUM
Milonov A.S., Radnaev B.V., Radnaev B.V., Smimyagina N.N.
Department of Physical Problems of Buryat Scientific Center SD RAS, Ulan-Ude, Russia
SUMMARY. The microstructure and microhardness of boride layers are investigated and also are compared to layer properties obtained at borating by the thermo-chemical treatment of sating daub and electron beam boriding in vacuum. Formed surface layers were heterogeneous structure combining solid and weak components and resulting in to fragility reduction of boride layer.
KEYWORDS: boride layers, heterogeneous microstructure, microhardness, heat resistance and thermal stability.
Милонов Александр Станиславович, кандидат технических наук, младший научный сотрудник лаборатории электрофизики ОФПБНЦ СО РАН, e-mail: ionbeam@pres.bscnet.ru
Раднаев Бато Владимирович, аспирант 1-го года обучения ОФП БНЦ СО РАН
Раднаев Баир Владимирович, аспирант 1-го года обучения, ОФП БНЦ СО РАН, e-mail: bair.radnaev@yandex.ru
Смирнягина Наталья Назаровна, доктор технических наук, главный научный сотрудник лаборатории электрофизики ОФП БНЦ СО РАН
