CC BY
13УДК 621.785.5; 621.793
ФОРМИРОВАНИЕ БОРИДНОГО ДИФФУЗИОННОГО СЛОЯ НА ПОВЕРХНОСТИ СТАЛИ 55 ПРИ ИНДУКЦИОННОМ НАГРЕВЕ
Б.С. Цыдыпов2, В.А. Бутуханов2, Люи Чао1, Чен Жен1, Мэй Шунчи1, А.М.
Гурьев13, Б.Д. Лыгденов12 1 - Уханьский текстильный университет (Ухань, Китай) 2 - Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления (г. Улан-Удэ, Россия) 3 - Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова
(г. Барнаул, Россия) E-mail: [email protected], [email protected]
Введение
Продолжительность эксплуатации многих стальных изделий в значительной мере определяется совокупностью свойств их поверхностных слоев, т.к. в них начинается зарождение трещин. Эффективным методом повышения срока службы сталей и сплавов является химико-термическая обработка, в частности борирование. Существует множество способов как однокомпонентного борирования, так и совместного диффузионного насыщения бором с другими элементами [1]. Традиционное печное борирование - длительный и трудоемкий процесс. Кроме того данный способ тяжело встраивается в современный технологический процесс массового производства. В связи с этим перспективным представляется применение борирования совмещенного с нагревом стальных изделий индукционной закалкой. Преимущества индукционной закалки - повышение производительности^]. Этот процесс характеризуется чрезвычайной скоростью (несколько секунд) и производительностью и может быть легко встроен в любую технологическую линию. Индукционный нагрев используется для закалки большого числа изделий: шестерни, коленчатые и распределительные валы, клапаны, внутренние и внешние обоймы подшипников. Цель исследования
Целью настоящей работы являлось исследование структуры и свойств боридных диффузионных слоев, формирующихся на стали 55 при нагреве токами высокой частоты. Материалы и методы
Объектом исследования были выбраны образцы из углеродистой инструментальной стали 55. В связи с тем, что нагреву подвергается только та часть детали, которая подлежит закалке, было решено использовать насыщающую обмазку[5]. В качестве борсодержащих веществ использовали аморфный бор, буру, борный ангидрид[2]. В качестве активатора использовали фтористый натрий. Было приготовлено два состава обмазок, которые представлены в таблице 1.
Сетевое издание Совета ректоров вузов Большого Алтая
Таблица 1 - Составы насыщающих обмазок для борирования, (мас.)
Состав 1 Состав 2
97 % Ваморф + 3 % NaF 97% [30 % (Na2B4O7x 10Н20) + 20 % B2O3 + 50 % Ваморф! + 3 % NaF
Образцы окунали в жидкое стекло, затем обсыпали насыщающей порошковой смесью и оставляли сушиться при комнатной температуре в течение 24 часов. По истечении времени сушки обмазка представляла собой твердую корку на поверхности образцов толщиной 0,5 мм. Нагрев образцов с нанесенной обмазкой токами высокой частоты проводили с помощью системы для закалки HardLine фирмы EDF Induction, оснащенной генератором Sinac с выходной мощностью 200 кВт и рабочей частотой 25 кГц. Нагрев осуществлялся одновременным (с последующим спрейерным охлаждением) способом в двухвитковом индукторе при температуре стальной поверхности, равной 900 -950 °C, в течение 4 сек [3]. Микроструктуру сформированных диффузионных слоев изучали на металлографическом микроскопе Neophot-21. Дюрометрический анализ проводили с помощью микротвердомера ПМТ-3М. Результаты и обсуждение
В результате борирования при нагреве токами высокой частоты в составе 1, содержащем только аморфный бор и активатор, на поверхности стали 55 сформированы отдельные участки боридов железа толщиной 5...20 мкм (рис. 1, а).
50 мкм
100 мкм
а б
Рисунок 1 - Микроструктура диффузионных слоев на стали 55 после нагрева
токами высокой частоты (т = 4 сек.): а) в смеси состава (мас.) ; И = 5 - 20 мкм; б) в смеси состава (мас.) ; И = 30 мкм
При использовании состава 2, содержащего аморфный бор, буру, борный ангидрид и активатор, формируется сплошной диффузионный слой толщиной 30 мкм (рис. 1, б). Микротвердость боридного слоя составляет 18 ГПа.
« Nauka i obrazovanie Bol'sogo Altaa )азование Большого Алтая» выпуск 1, 2017, страница 50 из 113
Диффузионные слои имеют сглаженную границу с насыщаемой сталью, что можно объяснить ее подплавлением из-за усиленного прогрева токами высокой частоты и влияния экзотермической реакции борирования.
Заключение
Показано, что при нагреве токами высокой частоты добавка буры и борного ангидрида в обмазку для печного борирования позволяет формировать на поверхности стали 55 сплошные диффузионные слои толщиной 30 мкм за короткий (4 сек.) промежуток времени.
Борирование в обмазке с нагревом токами высокой частоты, совмещенного с закалкой, является легко встраиваемым в технологические схемы современных производств и перспективным способом упрочнения стальных деталей и инструментов.
Литература
1. ФОРМИРОВАНИЕ ФАЗОВОГО СОСТАВА ПРИ ДИФФУЗИОННОМ НАСЫЩЕНИИ В ПОРОШКОВОЙ СМЕСИ СОДЕРЖАЩЕЙ ФЕРРОСПЛАВЫ. Бутуханов В.А., Цыдыпов Б.С, Лыгденов Б.Д., Мэй Ш. Международный журнал экспериментального образования. 2016. № 8-0. С. 7576.
2. ОПТИМИЗАЦИЯ СОСТАВА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ КАРБИДНЫХ ДИФФУЗИОННЫХ СЛОЕВ С МАКСИМАЛЬНОЙ ИЗНОСОСТОЙКОСТЬЮ. Бутуханов В.А., Цыдыпов Б.С., Мэй Ш., Лыгденов Б.Д. В сборнике: Перспективы развития технологий обработки и оборудования в машиностроении Сборник научных статей Международной научно-практической конференции. Ответственный редактор Горохов А.А.. 2016. С. 32-35.
3. FORMATION OF THE DIFFUSION LAYER PROCESSING CONCENTRATED ENERGY SOURCES SURFACE ACTIVE MIXTURES DEPOSITED ON THE STEEL SURFACE. Lygdenov B.D., Butukhanov V.A., Mei Sh., Chernykh E.V., Garmaeva I.A. В сборнике: Effect of external influences on the strength and plasticity of metals and alloys Book of the International seminar articles. Edition in Chief: Professor Sc. D., Starostenkov M.D.. 2015. С. 59.
4. ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ДИФФУЗИОННЫЕ ПОКРЫТИЯ. Лыгденов Б.Д., Гурьев А.М., Мосоров В.И., Бутуханов В.А. Raleigh,North Carolina, USA, 2015.
5. J ВЛИЯНИЕ СОСТАВА НАСЫЩАЮЩИХ ПОРОШКОВЫХ СРЕД НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА ДИФФУЗИОННЫХ КАРБИДНЫХ СЛОЕВ. Бутуханов В.А., Лыгденов Б.Д.. Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). 2016. № 2 (71). С. 80-86.
6. БОРИРОВАНИЕ В ОБМАЗКЕ СТАЛИ 5ХНМ. Бутуханов В.А., Лыгденов Б.Д.. В сборнике: СОВРЕМЕННЫЕ ИННОВАЦИИ В НАУКЕ И
Сетевое издание Совета ректоров вузов Большого Алтая
ТЕХНИКЕ материалы II-ой Международной научно-практической конференции. Ответственный редактор: Горохов А.А.. 2012. С. 44-47.
7. СПОСОБ УПРОЧНЕНИЯ СТАЛЬНЫХ ДЕТАЛЕЙ. Гурьев А.М., Иванов С.Г., Власова О.А., Кошелева Е.А., Гурьев М.А., Лыгденов Б.Д.. Патент на изобретение RUS 2381299 12.05.2008
8. ТЕРМОЦИКЛИЧЕСКОЕ БОРИРОВАНИЕ КАК МЕТОД ПОВЫШЕНИЯ ПРОЧНОСТИ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ СТАЛЕЙ. Гурьев А.М., Власова О.А., Лыгденов Б.Д., Гармаева И.А., Кириенко А.М., Иванов С.Г., Кошелева Е.А.. Ползуновский альманах. 2007. № 1-2. С. 85.
9. ИССЛЕДОВАНИЕ ФАЗОВОГО СОСТАВА И ДЕФЕКТНОГО СОСТОЯНИЯ ГРАДИЕНТНЫХ СТРУКТУР БОРИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ 20Л, 45, 55 И 5ХНВ. Лыгденов Б.Д., Гармаева И.А., Попова Н.А., Козлов Э.В., Гурьев А.М., Иванов С.Г.. Фундаментальные проблемы современного материаловедения. 2012. Т. 9. № 4-2. С. 681-689.
10. ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССОВ ФОРМИРОВАНИЯ СТРУКТУРЫ ДИФФУЗИОННОГО СЛОЯ ПРИ ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ СТАЛЕЙ. Лыгденов Б.Д.. Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук / ГОУВПО "Алтайский государственный технический университет". Барнаул, 2009
11. ПЕРСПЕКТИВНЫЕ МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ УПРОЧНЯЮЩИХ ПОКРЫТИЙ. Гурьев М.А., Кошелева Е.А., Гурьев А.М., Лыгденов Б.Д., Галаа О.. Барнаул, 2016.
12. ДИФФУЗИОННОЕ УПРОЧНЕНИЕ СТАЛЕЙ В НАСЫЩАЮЩЕЙ СРЕДЕ V+AL+B 4C. Бутуханов В.А., Суханов Н.Г., Лыгденов Б.Д., Галаа О.. Фундаментальные проблемы современного материаловедения. 2013. Т. 10. № 1. С. 146-148.
13. ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ В СТАЛЯХ С ГРАДИЕНТНЫМИ СТРУКТУРАМИ, ПОЛУЧЕННЫМИ ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКОЙ И ХИМИКО-ТЕРМОЦИКЛИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКОЙ. Лыгденов Б.Д.. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук / Новокузнецк, 2004
14. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ФАКТОРОВ ПРИ БОРИРОВАНИИ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СТАЛИ С ПРИМЕНЕНИЕМ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ. Гармаева И.А., Лыгденов Б.Д., Гурьев A.M., Власова О.А.. Упрочняющие технологии и покрытия. 2008. № 10. С. 30-32.
15. ВЛИЯНИЕ РЕЖИМОВ БОРИРОВАНИЯ НА УПРОЧНЕНИЕ ПОВЕРХНОСТИ УПЛОТНИТЕЛЬНОГО КОЛЬЦА ИЗ СТАЛИ 40ХН2МА. Лыгденов Б.Д., Гурьев А.М., Гармаева И.А.. Фундаментальные проблемы современного материаловедения. 2007. Т. 4. № 2. С. 90-93.
16. БОРИРОВАНИЕ МАЛОУГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ. Гурьев А.М., Лыгденов Б.Д., Гурьев М.А., Шунчи М., Власова О.А.. Raleigh, 2015.
« Nauka i obrazovanie Bol'sogo Altaa азование Большого Алтая» выпуск 1, 2017, страница 52 из 113
17. ИССЛЕДОВАНИЕ ФАЗОВОГО СОСТАВА И ДИСЛОКАЦИОННОЙ СТРУКТУРЫ БОРИРОВАННОЙ СТАЛИ 55Л. Мосоров В.И., Грешилов А.Д., ЛыгденовБ.Д.. Ползуновский вестник. 2012. № 1-1. С. 206-208.
18. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ БОРИРОВАНИЯ В ПОРОШКОВОЙ СРЕДЕ, СОДЕРЖАЩЕЙ БОРНУЮ КИСЛОТУ. Корнопольцев В.Н., Гурьев А.М., Лыгденов БД.. Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). 2011. №2. С. 40-42.
19. СТРУКТУРА И СВОЙСТВА ИНСТРУМЕНТАЛЬНОЙ СТАЛИ 5ХНВ ПОСЛЕ БОРИРОВАНИЯ. Гармаева И.А., Лыгденов Б.Д., Гурьев А.М.. Ползуновский альманах. 2008. № 3. С. 197-198
20. PHASE COMPOSITION OF GRADIENT STRUCTURES ON CARBON STEELS AFTER BORONIZING. Lygdenov B.D., Guriev A.M., Butukhanov V.A., Mei Sh., Zhou Q.. В сборнике: External fields processing and treatment technology and preparation of nanostructure of metals and alloys Book of the International seminar articles. Ed. by V. Gromov. 2014. С. 154-160.
«Grand Altai Research & Education», Issue 1, 2017, page
