CC BY
4ГЕТЕРОГЕННОСТЬ СТРУКТУРЫ БОРИРОВАННЫХ СЛОЕВ МАЛОУГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ 08кп
Б.Д. Лыгденов, А.Д. Грешилов, А.М. Гурьев
Структура, возникающая при борирова-нии, является типичной градиентной структурой, в которой значительный набор параметров меняется от поверхности к центру образца. Борирование стали привело к образованию большого количества границ в структуре переходной зоны. Были измерены расстояния между границами, созданными как в результате борирования, так и термообработкой стали (границами зерен) в зависимости от расстояния от поверхности образца до его центральной части, т.е. до 6,5 мм.
Как показали исследования, проведенные методами рентгеноструктурного анализа и электронной микроскопии, фазовый состав и объемная доля фаз по мере продвижения в глубь образца меняется. Количественные оценки и взаимное расположение фаз будут обсуждаться в следующем разделе. Здесь же, мы будем описывать фазовый состав стали 08кп после борирования, не привязываясь к месту исследования на образце. В результате проведенных исследований установлено следующее:
1. В любой точке образца присутствуют зерна феррита -а-фаза (твердый раствор атомов внедрения и замещения на основе Реа) разной степени легированности. Причем в переходной зоне образца и в основном металле она составляет основную часть материала.
2. Кроме а-фазы присутствует пластинчатый перлит в виде зерен или прослоек по границам зерен а-фазы. Перлит представляет собой чередование практически параллельных между собой пластин а-фазы и карбида железа - цементита Ре3С. Цементит имеет орторомбическую решетку. Кроме того, цементит присутствует и в виде прослоек по границам зерен "а-фаза - цементит" (рисунок 6) и по границам зерен а-фазы (рисунок 1).
3. Карбоцементит (борный цементит) Ре3(С,В), в котором часть углерода замещена бором. Разделение цементита Fe3C и бори-рованного цементита Fe3(C,B) может быть выполнено по различию параметра решетки. Эта разница составляет:
Уа = +0,036нм, УЬ = -0,0134нм, Ус = -0,0094нм.
Рисунок 1 - Электронно-микроскопическое изображение тонкой структуры бориро-ванной стали 08кп П - перлитная колония: пластины цементита (Ц) и феррита (Ф); К-прослойки цементита по границам зерен "а -фаза - цементит"
б
Рисунок 2 - Электронно-микроскопическое изображение тонкой структуры бориро-ванной стали 08кп. К - прослойки цементита по границам зерен а - фазы (а) и микродифракционная картина (б), подтверждающая наличие цементита
Это достаточно, чтобы разделить дифракции Fe3C и Fe3(C,B) по данным электронной микроскопии. На рисунке 3. приведена дифракционная картина и ее расшифров-
ка с участка, содержащего как фазу FeзC, так и фазу Fe3(C,B).
Присутствует борный цементит в основном в переходной зоне. Карбоцементит Рв3(С,В) присутствует как в виде отдельных частиц (рисунок 4), так и в перлитных колониях (рисунок 5). При этом перлитные колонии имеют вид частично разрушенных и "изъеденных" образований.
4. Карбоборид Fe23(C,B)6 имеет кубическую решетку. Частицы Fe23(c,B)6 имеют вытянутую форму, размер их меняется слабо и составляет в среднем 0,02 х 0,01 мкм. Располагаются они, как правило, в теле зерна ос-фазы на дислокациях (рисунок 6) или в виде скоплений (рисунок 7. Скорее всего расположенные в объеме частицы Fe23(C,B)6 образовались с частичным использованием атомов углерода, расположенных в дислокационных дисках и кластерах исходного образца (см. предыдущий раздел). Частицы Fe23(C,B)6 на дислокациях также при их образовании могли изъять часть атомов углерода с дислокаций, т.е. из ядер дислокаций и атмосфер Коттрел-ла вокруг них. По-видимому, карбиды на границах зерен также формируются за счет двух источников атомов углерода: 1) пришедших с поверхности по каналам диффузии и 2) ранее присутствовавших на границах зерен.
.-(547) Ре,С
]-(13.1-3)1 ^ - (140) ]
б
Рисунок 3 - Электронно-микроскопическое изображение участка структуры, содержащего борированный Ре3(С,В) и углеродистый Ре3С цементит. Микродифракционная картина (б), полученная с этого участка, и ее индицированная схема (в) подтверждают наличие обеих фаз
5. Карбид бора В4С - равновесная фаза тройной диаграммы Fe - B - С. В4С имеет гексагональную решетку. Фаза В4С присутствует в стали только на поверхности боридно-го слоя. На присутствие этой фазы на поверхности образца указывают данные рент-геноструктурного анализа и присутствие на микродифракционной картине четких рефлексов (рисунок 8 б). К сожалению, по такой сложной картине (рисунок 8 а), где присутствуют одновременно фазы Fe3(C,в), Ре^^З^ и В4С (о чем свидетельствует полученная с этого участка микродифракционная картина) сказать, что представляют из себя выделения В4С, затруднительно. Скорее всего, это небольшие вкрапления, которые оказываются на поверхности образца вследствие переноса их из обмазки.
Выделения борного цементита Ре3(С, В) внутри зерен а-фазы (а), микродифракционная картина, подтверждающая наличие борного цементита (б), и темнопольное изображение, полученное в рефлексе [021]ц.
б
в
Рисунок 4 - Электронно-микроскопическое изображение тонкой структуры борированной стали
а
в
Б.Д. ЛЫГДЕНОВ, А.Д. ГРЕШИЛОВ, А.М. ГУРЬЕВ
Рисунок 5 - Электронно-микроскопическое изображение тонкой структуры борированной стали 08кп. Превращение пластинчатого цементита Ре3С в выделения борного цементита Ре3(С,В) внутри зерен перлита на глубине 200 мкм от поверхности образца: а - светло-польное изображение; б - микродифракционная картина; в - темнопольное изображение, полученное в рефлексе [131]
Рисунок 6 - Электронно-микроскопическое изображение тонкой структуры борированной
стали 08кп. Выделения карбоборида Ре23(С,В)6 внутри зерен а-фазы на дислокациях
Г/? ^^
Л7Г*
Рисунок 7 - Электронно-микроскопическое изображение тонкой структуры борированной
стали 08кп. Выделения карбоборида Ре23(С,В)6 внутри зерен а-фазы в виде скоплений на глубине 2,5 мм от поверхности образца: а - светлопольное изображение; б -микродифракционная картина; в - темно-польное изображение, полученное в рефлексе [161]
б
а
а
в
б
в
• •
V
6. Борид Fe2B - фаза, имеющая тетрагональную решетку. Как мы уже сообщали выше, эта фаза при наблюдении в оптическом микроскопе имеет иглообразную форму. В электронном микроскопе она представляет собой зерна вытянутой формы. Плотность дислокаций внутри зерен фазы Fe2B очень низкая (~108см2).
7. Борид FeB - фаза с орторомбической решеткой. Эта фаза присутствует в боридном слое в виде частиц округлой формы.
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 05-08-50241)
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Гурьев А.М., Козлов Э.В., Игнатенко Л.Н., Попова Н.А. Физические основы термоциклического борирования.- Барнаул, Изд-во АлтГТУ.-2000.-216 с.
2. Лыгденов Б.Д. Фазовые превращения в сталях с градиентными структурами, полученными химико-термической и химико-термоциклической обработкой: Дис. ... канд. техн. наук. Новокузнецк, 2004. 222 с.
Востончо-Сибирский государственный технологический университет
Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова
а
б
в
Рисунок 8 - Электронно-микроскопичес-кое изображение тонкой структуры борированной
стали 08кп. Выделения карбоборида Ре23(С,В)6 внутри зерен а-фазы в виде скоплений на глубине 2,5 мм от поверхности образца: а - светлопольное изображение; б -
микродифракционная картина содержит плоскости (102) фазы Ре3(С,В), (113) и (115) фазы Ре23(С,В)6, (021) фазы В4С и (320) ос-фазы; в - темнопольное изображение
