CC BY
47СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ
УДК 669.01:621.785.5
БОРИРОВАНИЕ ТИТАНА ВТ 1-0 ИЗ НАСЫЩАЮЩИХ ОБМАЗОК
С.Г. Иванов 1, М.А. Гурьев 1, С.А. Иванова1, И.А. Гармаева 1, А.М. Гурьев 12 ФГБОУ ВО «Алтайский государственный технический университет им. И. И. Ползунова» 1, г. Барнаул, Россия Уханьский текстильный университет , г.Ухань, Китай serg225582@mail.ru, gurievma@mail.ru
Введение. Титановые сплавы находят широкое применение благодаря более низкому весу, прочности, сравнимой со сталью, и коррозионной стойкости, в некоторых случаях, превышающую стойкость специальных нержавеющих сталей в различных агрессивных средах. Однако, в некоторых случаях помимо коррозионной стойкости необходимо наличие специальных свойств, например, высокой тепло- и электропроводности, которые у титана ниже, чем у сталей. Наиболее перспективным материалом, имеющим высокие показатели твердости, коррозионной и износостойкости, тепло- и электропроводности являются бориды титана. Так, электропроводность диборида титана (^В2) более чем в 5 раз превышает электропроводность чистого титана, а его теплопроводность при температуре 600°С и более - в 3-3,5 раза выше. Наиболее часто применяемые способы получения боридов титана в отечественной промышленности и науке - плазменный [1] и химико-термическая обработка (ХТО) в расплавах [2]. Каждый из этих способов имеет недостатки. При плазменном способе получение монолитного покрытия на титановых деталях невозможно, а при ХТО в расплавах имеются сложности с обработкой деталей сложной формы и последующая их отмывка от остатков расплава, кроме того, высокая активность титана требует применения защитных сред для изоляции титановых заготовок от атмосферы в процессе получения покрытия. Наиболее перспективным способом нам видится ХТО из порошковых сред [3] и насыщающих обмазок [4-17], однако это направление исследований в России мало изучено.
Целью работы являлось изучение возможности получения диффузионных боридных покрытий на титановом сплаве ВТ 1-0 из насыщающих обмазок, содержащих в качестве основного насыщающего компонента карбид бора (В4С). Проведен сравнительный анализ микроструктуры, морфологии и элементного состава, диффузионных боридных покрытий на титане марки ВТ 1-0, полученных насыщением из обмазок.
Материалы и методы исследований. Упрочнение образцов размерами 10х20х5 мм вели в камерной печи типа СНОЛ, оснащенной ПИД-конроллером «Термодат-16Е3». В качестве насыщающей среды использовали обмазку на основе карбида бора с добавлением соединений хрома и кремния [4, 5], а также отдельный подслой обмазки, содержащий, в качестве борирующего агента аморфный бор марки А. Микроструктуру упрочненных изделий исследовали на поперечных шлифах при помощи инвертированного микроскопа Carl Zeiss Axio Observer Z1m. Шлифовку и полировку производили на автоматическом шлифовально-полировальном станке «DIGIPREP» травление производили реактивом Льюиса (смесь водных растворов плавиковой и азотной кислот). Для измерения толщины диффузионного покрытия использовали программный комплекс «Thixomet Pro®». Исследование элементного состава проводили при помощи рентген-флуоресцентного анализатора «Х-МЕТ 7500». Фазовый состав получаемых покрытий исследовали при помощи рентгеновского дифрактометра «ДРОН-6».
Результаты и обсуждение. ХТО (борирование) проводили из двухслойной обмазки, нижний слой которой состоял из аморфного бора, верхний слой - из карбида бора [5-8] и из обмазки, содержащей карбид бора [5-8]. В результате высокотемпературного диффузионного насыщения титана ВТ1 -0 были получены покрытия, микроструктура которых представлена на рисунке 1. Элементный состав диффузионных покрытий на титане приведен в таблице.
Таблица. Элементный состав диффузионных боридных покрытий на титане марки ВТ 1 -0, полученных насыщением из различных смесей. Table. The elemental composition of the diffusion boride coatings on titanium alloy VT 1-0 marks obtained by saturation of the different mixtures._
Ti Fe Cr Al Mn Si
Двухслойная обмазка с содержанием аморфного
бора
87,144 0,287 0,174 0,112 0,087 0,108
Диффузия из смеси на основе карбида бора
89,763 0,281 0,205 0,086 0,081 0,187
И сходный материал
99,445 0,211 0,048 0,077 0,019 0,121
Как видно на фотографиях микроструктур диффузионного покрытия (см. рисунок 1), толщина диффузионного покрытия, полученного насыщением из двухслойной обмазки, примерно соответствует толщине покрытия, полученного в однослойной обмазке (52 и 49 мкм соответственно). Однако концентрация диффундирующих элементов и фазовый состав покрытий существенно различаются в зависимости от химического состава насыщающих
a
b
Рисунок 1. Микроструктура диффузионного покрытия, полученного борированием титана ВТ1-0: a) борирование из двухслойной обмазки, нижний слой которой состоял из аморфного бора, верхний слой - из карбида бора, b) борирование из обмазки, содержащей карбид бора.
Figure 1. The microstructure of the diffusion binding coating on titanium alloy VT1-0: a) borating bilayer of plastering, the bottom layer of which consisted of amorphous boron, an upper layer - of boron carbide, b) borating of plastering containing boron carbide.
Хорошо видно, что при изменении химического состава насыщающей среды, структура диффузионного покрытия изменяется (сравни рис. 1a и рис.1Ь). В первом случае насыщения из обмазки, содержащей подслой аморфного бора, боридный слой имеет ярко выраженное однофазное строение и по результатам рентгенофазового анализа, представляет борид Ti2B5 (рисунок 1, a). Во втором случае (насыщение из однослойной обмазки, содержащей в качестве борирующего агента карбид бора) покрытие имеет двухфазное строение и поданным рентгеноструктурного анализа, верхняя часть покрытия толщиной 14-17 мкм соответствует бориду Ti2B5, а нижняя часть представлена боридом TiB (рисунок 1, b).
Вывод. Показана возможность получения упрочняющих боридных слоев на титановом сплаве ВТ 1-0 из насыщающих обмазок на основе аморфного бора и многокомпонентных смесей на основе карбида бора. Установлено, что в условиях насыщения титана из обмазок процессы диффузии идут достаточно интенсивно и формируются покрытия толщиной 40 - 50 мкм. Проведено сравнение и показано различие толщины и фазового состава диффузионных покрытий на титане ВТ 1 -0, полученных из насыщающих обмазок различного химического состава.
Литернатура
1. Расплав для борирования изделий из титана и его сплавов. Жабрев В.А., Свиридов С.И., Лапис Н.Д., Сулейманова Н.А., Лопатина Н.П. патент на изобретение RUS 2031972 Заявка №4932682/02 от 04.04.1991, Опубл. 27.03.1995 бюл. №17.
2. Формирование износостойких и коррозионностойких покрытий на титане Тюрнина З.Г., Тюрнина Н.Г. Физика и химия стекла. 2012. Т. 38. № S6. С. 905909.
3. Accelerated kinetics and mechanism of growth of boride layers on titanium under isothermal and cyclic diffusion. Biplab Sarma. A dissertation of Doctor of Philosophy University of Utah May 2011. 167p.
4. Особенности приготовления насыщающих смесей для диффузионного борохромирования. Иванов С.Г., Гурьев А.М., Старостенков М.Д., Иванова Т.Г., Левченко А.А. Известия высших учебных заведений. Физика. 2014. Т. 57. № 2. С. 116-118.
5. Изменение фазового состава и механизм формирования структуры переходной зоны при термоциклическом карбоборировании феррито-перлитной стали. Гурьев А.М., Козлов Э.В., Крымских А.И., Игнатенко Л.Н., Попова Н.А. Известия высших учебных заведений. Физика. 2000. Т. 43. № 11. С. 60.
6. Фазовые превращения и структура комплексных боридных покрытий Иванов С.Г., Гармаева И.А., Андросов А.П., Зобнев В.В., Гурьев А.М., Марков
7. Особенности формирования диффузионного слоя при термоциклическом борировании углеродистой стали Гурьев А.М., Козлов Э.В., Игнатенко Л.Н., Попова Н.А. В книге: эволюция дефектных структур в конденсированных средах сборник тезисов докладов 5-ой Международной школы-семинара. 2000. С. 149-150.
8. Теория и практика получения литого инструмента Гурьев А.М., Хараев Ю.П. Барнаул, 2005. - 158с.
9. Механизм образования боридных игл при диффузионном комплексном борохромировании из насыщающих обмазок Гурьев А.М., Иванов С.Г., Грешилов А Д., Земляков С.А. Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). 2011. № 3. С. 34-40.
10. Special features of preparation of saturating mixtures for diffusion chromoborating Ivanov S.G., Guriev A.M., Starostenkov M.D., Ivanova T.G., Levchenko A.A. Russian Physics Journal. 2014. Т. 57. № 2. С. 266-269.
11. Разработка технологии борирования в порошковой среде, содержащей борную кислоту Корнопольцев В.Н., Гурьев А.М., Лыгденов Б.Д. Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). 2011. № 2. С. 40-42.
12. Упрочнение литых сталей поверхностным легированием из борсодержащих обмазок Гурьев М.А., Иванов А.Г., Иванов С.Г., Гурьев А.М. Успехи современного естествознания. 2010. № 3. С. 123.
13. Исследование процессов диффузионного насыщения сталей из смесей на основе карбида бора Иванов С.Г., Гурьев A.M., Кошелева Е.А., Власова О.А., Гурьев М.А. Современные наукоемкие технологии. 2008. № 3. С. 33.
14. Диффузионное насыщение сталей из насыщающих обмазок Иванов С.Г., Гурьев A.M., Кошелева Е.А., Бруль Т.А. Фундаментальные исследования. 2007. № 4. С. 38.
15. Влияние добавок легирующих элементов в обмазку на процессы комплексного многокомпонентного диффузионного насыщения стали Иванов С.Г., Гурьев М.А., Иванов А.Г., Гурьев А.М. Современные наукоемкие технологии. 2010. № 7. С. 170-172.
16. Особенности формирования диффузионного слоя при термоциклическом борировании углеродистой стали Гурьев А.М., Козлов Э.В., Игнатенко Л.Н., Попова Н.А. В книге: Эволюция дефектных структур в конденсированных средах. Сборник тезисов докладов 5-ой Международной школы-семинара. 2000. С. 149-150.
17. Комплексное насыщение сталей бором и хромом - борохромирование Иванов С.Г., Гурьев А.М., Кошелева Е.А., Власова О.А., Гурьев М.А. Ползуновский альманах. 2008. № 3. С. 53.
References
1. Rasplav dlya borirovaniya izdelij iz titana i ego splavov. ZHabrev V.A., Sviridov S.I., Lapis N.D., Sulejmanova N.A., Lopatina N.P. patent na izobretenie RUS 2031972 Zayavka №4932682/02 ot 04.04.1991, Opubl. 27.03.1995 byul. №17.
2. Formirovanie iznosostojkih i korrozionnostojkih pokrytij na titane Tyurnina Z.G., Tyurnina N.G. Fizika i himiya stekla. 2012. T. 38. № S6. S. 905-909.
3. Accelerated kinetics and mechanism of growth of boride layers on titanium under isothermal and cyclic diffusion. Biplab Sarma. A dissertation of Doctor of Philosophy University of Utah May 2011. 167p.
4. Osobennosti prigotovleniya nasyshchayushchih smesej dlya diffuzionnogo borohromirovaniya. Ivanov S.G., Guriev A.M., Starostenkov M.D., Ivanova T.G., Levchenko A.A. Izvestiya vysshih uchebnyh zavedenij. Fizika. 2014. T. 57. № 2. S. 116-118.
5. Izmenenie fazovogo sostava i mekhanizm formirovaniya struktury perekhodnoj zony pri termociklicheskom karboborirovanii ferrito-perlitnoj stali. Guriev A.M., Kozlov EH.V., Krymskih A.I., Ignatenko L.N., Popova N.A. Izvestiya vysshih uchebnyh zavedenij. Fizika. 2000. T. 43. № 11. S. 60.
6. Fazovye prevrashcheniya i struktura kompleksnyh boridnyh pokrytij Ivanov S.G., Garmaeva I.A., Androsov A.P., Zobnev V.V., Guriev A.M., Markov V.A. Polzunovskij vestnik. 2012. № 1-1. S. 106-108.
7. Osobennosti formirovaniya diffuzionnogo sloya pri termociklicheskom borirovanii uglerodistoj stali Guriev A.M., Kozlov EH.V., Ignatenko L.N., Popova N.A. V knige: ehvolyuciya defektnyh struktur v kondensirovannyh sredah sbornik tezisov dokladov 5-oj Mezhdunarodnoj shkoly-seminara. 2000. S. 149-150.
8. Teoriya i praktika polucheniya litogo instrumenta Guriev A.M., Haraev YU.P. Barnaul, 2005. - 158s.
9. Mekhanizm obrazovaniya boridnyh igl pri diffuzionnom kompleksnom borohromirovanii iz nasyshchayushchih obmazok Guriev A.M., Ivanov S.G., Greshilov A D., Zemlyakov S.A. Obrabotka metallov (tekhnologiya, oborudovanie, instrumenty). 2011. № 3. S. 34-40.
10. Special features of preparation of saturating mixtures for diffusion chromoborating Ivanov S.G., Guriev A.M., Starostenkov M.D., Ivanova T.G., Levchenko A.A. Russian Physics Journal. 2014. T. 57. № 2. S. 266-269.
11. Razrabotka tekhnologii borirovaniya v poroshkovoj srede, soderzhashchej bornuyu kislotu Kornopol'cev V.N., Guriev A.M., Lygdenov B.D. Obrabotka metallov (tekhnologiya, oborudovanie, instrumenty). 2011. № 2. S. 40-42.
12. Uprochnenie lityh stalej poverhnostnym legirovaniem iz borsoderzhashchih obmazok Guriev M.A., Ivanov A.G., Ivanov S.G., Guriev A.M. Uspekhi sovremennogo estestvoznaniya. 2010. № 3. S. 123.
13. Issledovanie processov diffuzionnogo nasyshcheniya stalej iz smesej na osnove karbida bora Ivanov S.G., Guriev A.M., Kosheleva E.A., Vlasova O.A., Guriev M.A.
14. Diffuzionnoe nasyshchenie stalej iz nasyshchayushchih obmazok Ivanov S.G., Guriev A.M., Kosheleva E.A., Brul' T.A. Fundamental'nye issledovaniya. 2007. № 4. S. 38.
15. Vliyanie dobavok legiruyushchih ehlementov v obmazku na processy kompleksnogo mnogokomponentnogo diffuzionnogo nasyshcheniya stali Ivanov S.G., Guriev M.A., Ivanov A.G., Guriev A.M. Sovremennye naukoemkie tekhnologii. 2010. № 7. S. 170-172.
16. Osobennosti formirovaniya diffuzionnogo sloya pri termociklicheskom borirovanii uglerodistoj stali Guriev A.M., Kozlov EH.V., Ignatenko L.N., Popova N.A. V knige: EHvolyuciya defektnyh struktur v kondensirovannyh sredah. Sbornik tezisov dokladov 5-oj Mezhdunarodnoj shkoly-seminara. 2000. S. 149-150.
17. Kompleksnoe nasyshchenie stalej borom i hromom - borohromirovanie Ivanov S.G., Guriev A.M., Kosheleva E.A., Vlasova O.A., Guriev M.A. Polzunovskij al'manah. 2008. № 3. S. 53.
