CC BY
4ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ЛИТОЙ СТАЛИ
А.М. Гурьев, Б.Д. Лыгденов, Д.М. Махаров, В.И. Мосоров
Использование энергосберегающих технологий, способствующих повышению производительности труда, играет важную роль для научно-технического прогресса в машиностроении. Актуальность этой задачи особенно очевидна для инструментального производства.
Изготовление инструмента различными методами литья приводит к сокращению расхода дорогостоящей инструментальной стали и снижению себестоимости инструмента. Литой инструмент к тому же обладает повышенной износостойкостью. Поэтому широкое применение литейных технологий является весьма перспективным направлением в инструментальном производстве [ 1].
В процессе эксплуатации наиболее интенсивно подвергаются температурно-силовым воздействиям поверхностные слои деталей и инструмента, поэтому структура и свойства поверхностных слоев оказывает важное влияние на их работоспособность.
С этой точки зрения представляет интерес повышение износостойкости деталей машин и инструмента методами химико-термической обработки [ 2 ].
В настоящей работе представлены результаты химико-термической обработки литых сталей 40ХЛ, 55Л и 20ХЛ.
Борировали литые стали 40ХЛ и 55Л. На первом рисунке представлено макроскопическое изображение слитка.
В качестве насыщающей смеси использовали стандартный боризатор марки БМБ (ТУ 2.036.022227.144-07). Температура насыщения - 950 0С, время выдержки - 3 часа.
В результате диффузионного насыщения получены борированные слои толщи-НОЙ75-80 мкм на стали 40ХЛ рисунок 3.), а на стали 55Л (рисунок 4.) толщиной -100 мкм.
Рисунок 1 - макроструктура слитка, (диаметр 50 мм)
Рисунок 2 - Макроструктура фрагмента литого штампа (хорошо видна направленность кристаллизации)
Рисунок 3 - Борированный слой на стали 40ХЛ (х 200)
Рисунок 4 - Борированный слой на стали 50Л (х 200)
На рисунке 5 показано распределение микротвердости диффузионного слоя при бо-рировании стали 20Х в литом и деформированном состоянии. Видно, что толщина диффузионного слоя в литом состоянии примерно в 1,5 раза выше, чем в деформированном.
А.М. ГУРЬЕВ, Б.Д. ЛЫГДЕНОВ, Д.М. МАХАРОВ, В.И. МОСОРОВ
Расстояние от поверхности, мм
Рисунок 5 - Распределение микротвердости диффузионного слоя при борировании стали 20Х;
--------- прокат;
------ отливка
Ранее нами было установлено, что истинная картина структуры малоуглеродистой стали подвергнутой диффузионному бориро-ванию более сложная, чем предполагалось в ранее опубликованных исследованиях, а переходную зону следует называть карбобо-ридной. Фазовый состав внутри всей карбо-боридной (переходной) зоны не меняется. Однако механизм формирования в различных ее участках (слоях) различен [ 3 ].
Как показали исследования, проведенные методами рентгеноструктурного анализа и электронной микроскопии, фазовый состав и объемная доля фаз по мере продвижения в глубь образца меняется.
Наиболее наглядно расположение этих фаз видно на рисунке 6.
Бориды Fe2B и FeB образуются путем реакционной диффузии вслед за движущейся межфазной границей, которая смещается в глубь a-Fe.
Направленная кристаллизация привела к существенным качественным изменениям в структуре стали. Бор более активно проникает при таком строении на большую глубину и в в больших количествах. В частности, фазовый состав на глубине 2,5мм в первом образце содержит один карбоборид железа Fe23(C,B)6, в то время как во втором образце присутствуют два карбоборида - Fe3(C,B) и
Ре2з(0,В)6. Установлен следующий фазовый
состав:
- на поверхности : а+ Ре2В+ РеВ+ В4С + Ре3(С,В) + Ре23(С,В)6
- на расстоянии от поверхности образца 100 мкм: а + Ре3(С,В) + Ре23(С,В)6
- на расстоянии - 500 мкм: а + Ре3С + Ре3(С,В) + Ре23(С,В)6
- на расстоянии - 2500мкм: а + Ре3С + Ре23(С,В)6
Рисунок 6 - Оптическое изображение поверхности боридного слоя малоуглеродистой стали. Отмечены присутствующие фазы, установленные с помощью метода дифракционной электронной микроскопии. Разрез сделан параллельно поверхности образца на глубине 40 мкм
Чистого (не борированного) цементита даже на глубине 2,5 мм после борирования малоуглеродистой литой стали нет, в то время как в первом образце он начал появляться на глубине 500мкм. Кроме того, о более активной диффузии бора в объем материала во втором случае свидетельствует несколько повышенная суммарная плотность границ зерен, как исходных, так и возникающих в процессе борирования. Эти границы служат основными каналами проникновения бора в глубь стали.
Проведенные исследования позволили детально изучить кинетику образования бо-рированного слоя и выявить механизм его формирования на стали простого химического состава.
Кроме борирования сталь 20ХЛ была подвергнута цементации в течение 5 часов при температуре 950 0С. Толщина диффузионного слоя составила около 1,5 мм, что более чем в два раза превышает результат полученный при цементации аналогичной стали в деформированном состоянии.
ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ЛИТОЙ СТАЛИ
Полученные результаты свидетельствуют о значительно более высокой скорости диффузии углерода и бора при химико-термической обработке сталей в литом состоянии по сравнению с деформированными сталями аналогичного химического состава.
Установлено, что увеличению скорости диффузии способствует наличие в структуре литой стали зоны столбчатых кристаллов, а основным механизмом диффузии бора в стали является диффузия по границам зерен.
В настоящее время нами ведутся исследования по изучению влияния различных легирующих элементов на процесс образования диффузионных покрытий при ХТО и ХТЦО среднелегированных и высоколегированных сталей в литом и деформированном состоянии.
Более полное изучение кинетики и механизмов формирования окончательной структуры легированных сталей в процессе проведения ХТО с использованием тонких методов исследований позволит предложить обобщенный механизм формирования структуры и свойств этих сталей при окончательной ТЦО, а понимание механизма формирования свойств и структуры, их определяющей, позволит сформулировать принципы и
возможные направления оптимизации параметров ХТО в целях повышения качества инструмента, стабилизации его свойств и повышения эксплуатационной стойкости.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Гурьев А.М. Новые материалы и тех-ноглгии для литых штампов.- Б Барнаул, Изд-во АлтГТУ.- 2000.-216 с.
2.Гурьев А.М., Козлов Э.В., Игнатенко Л.Н., Попова Н.А. Физические основы термоциклического борирования.- Барнаул, Изд-во АлтГТУ.- 2000.-216 с.
3. Transition zone forming By different diffusion techniques in borating process of ferrite -pearlite steels Under the thermocyclic conditions A.M. Guriev, E.V. Kozlov, B.D. Lygdenov, A.M. Kirienko, E.V. Chernykh // Фундаментальные проблемы современного материаловедения, №2. - 2004. - С.54 - 60.
Алтайский государственный технический Университет им. И.И. Ползунова
Востончо-Сибирский государственный технологический университет
