CC BY
10
УДК 53:669.14
Исследование диффузионных боридных слоев стали 20, полученных микродуговой наплавкой
Е.П. Шевчук1, В.А. Плотников2, Г.С. Бектасова1
Восточно-Казахстанский государственный университет им. С. Аманжолова (Усть-Каменогорск, Казахстан)
2Алтайский государственный университет (Барнаул, Россия)
Study of Diffusion Boride Bayers of Steel 20, Obtained by the Micro-Arc Surface
E.P. Shevchuk1, V.A. Plotnikov2, G.S. Bektasova1
1 Sarsen Amanzholov East Kazakhstan State University (Ust-Kamenogorsk, Kazakhstan) 2Altai State University (Barnaul, Russia)
Приведены результаты исследований борирова-ния углеродистой стали 20 методом микродуговой химико-термической обработки шихты, содержащей железо и борную кислоту, выполненных в научных лабораториях ВКГУ им. С. Аманжолова. Установлено, что боридные диффузионные покрытия, полученные данным методом, характеризуются высокой твердостью — 3,5 ГПа и обширной диффузионной зоной. Обширная диффузионная зона представляет собой поверхностный слой стали, в котором соединения бора с железом распределены так, что формируется переходная область между упрочненной областью и матрицей. Материал диффузионной зоны представляет собой композит, состоящий из пластичной а-фазы железа и высокопрочных боридов железа. Рентгенографическое исследование диффузионной зоны позволило выявить образование соединений Бе3Б. Установлено, что наиболее оптимальный состав шихты содержит железо и борную кислоту в пропорции 1:3 (Бе-25%+И3Б03-75 %).
Применение метода микродуговой наплавки позволяет интенсифицировать процесс диффузионного борирования по сравнению с традиционными методами и обеспечить формирование на поверхности стальных изделий упрочненного композиционного слоя с гетерогенной структурой, образованного по диффузионно-кристаллизационному механизму. Ключевые слова: борирование, бориды, электродуговая обработка, наплавка, борсодержащая шихта, диффузия, микротвердость, рентгеноструктурный анализ, коэффициент диффузии, диффузионный слой.
БОТ 10.14258Лгуа8и(2020)4-09
We discuss the results of the study of carbon steel 20 boriding performed by the micro-arc chemical-thermal treatment of a mixture containing iron and boric acid. The study has been carried out in scientific laboratories of the EKSU named after S. Amanzholov. It is found out that boride diffusion coatings obtained by this method are characterized by high hardness of 3.5 GPa and have an extensive diffusion zone. The wide diffusion zone is a surface layer of steel in which the compounds of boron and iron are distributed so that a transition region is formed between the hardened region and the matrix. The material of the diffusion zone is a composite consisting of a plastic a-phase of iron and high strength iron borides. X-ray diffraction studies revealed the formation of Fe3B compounds. It is found that the most optimal composition of the mixture contains iron and boric acid in a ratio of 1:3 (Fe-25% + H3BO3-75 %).
The use of the micro-arc surfacing method makes it possible to intensify the process of diffusion boriding in comparison with traditional methods. Also, it ensures that a hardened composite layer with a heterogeneous structure formed by the diffusion-crystallization mechanism is developed on a surface of steel products. Key words: boring, borides, electric arc treatment, surfacing, boron-containing charge, diffusion, microhardness, X-ray diffraction analysis, diffusion coefficient, diffusion layer.
Введение
Наряду с известными широко распространенными методами химико-термической обработки (цементацией, азотированием, нитроцементацией, цианированием) все большее внимание уделяется разработке новых методов поверхностного легирования металлов и сплавов. Одним из перспективных методов упрочнения является процесс диффузионного насыщения бором. В результате этого процесса на поверхности обрабатываемых изделий формируются химические соединения — бориды, обладающие высокими антикоррозионными и износостойкими характеристиками [1-2].
Борирование стали проводят различными способами для повышения ее поверхностной твердости, а соответственно, износостойкости, повышения коррозионной стойкости, окалиностойкости (до 800 °С) и теплостойкости. Процесс борирования заключается в диффузионном насыщении поверхностного слоя стали бором при нагревании в определенной среде.
В качестве преимущества борирования перед другими способами химико-термической обработки стоит отметить более высокую поверхностную твердость стали.
Таким образом, в ходе борирования образуется диффузионный слой, который, с одной стороны, обладает высокой твердостью, износостойкостью (главным образом, абразивной), коррозионной стойкостью, окалиностойкостью (до 800 °С) и теплостойкостью, с другой стороны — очень хрупок. Поэтому одним из основных направлений повышения пластичности борированных слоев является применение концентрированных источников энергии, позволяющее принципиально изменить структуру слоя, морфо-
Процесс по формированию покрытий с обширной диффузионной зоной проводился при помощи специальной установки, схема которой изображена на рисунке 1 [7].
Такой процесс характеризуется возникновением микродуговых разрядов, концентрирующихся в микрообъемах порошка вокруг изделия вследствие увеличения плотности тока в направлении от контейнера к образцу. Температура нагрева изделия составляет 900-1250 °С, однако локальный нагрев в местах контакта микродуг с поверхностью образца может достигать нескольких тысяч градусов [8]. При нагревании борной кислоты происходит образование борного ангидрида, который затем восстанавливается до атомарного состояния:
логию выделяющихся фаз, характер и распределение формирующихся соединений. Образование различных композиционных слоев дает возможность получать на упрочняемой поверхности диффузионные слои с регулируемой прочностью и пластичностью.
Эффективным способом концентрированного энергетического воздействия на поверхность стальных изделий является микродуговая химико-термическая обработка (МДХТО), предусматривающая электронагрев изделия [3] при помощи электрической дуги. Суть процесса наплавки состоит в проникновении расплавленных материалов борсодержащей шихты в поверхностный слой изделия на молекулярном уровне [4]. Борирование является достаточно эффективным и экономичным процессом по сравнению с традиционной химико-термической обработкой стали [5].
В данной работе в ходе микродуговой химико-термической обработки осуществляли введение в зону дуги борсодержащей шихты и флюса, что позволило повысить эксплуатационные характеристики наплавляемого слоя за счет формирования обширной диффузионной зоны в поверхностном слое матрицы.
Методика борирования
Для проведения экспериментальных работ была использована стальная труба (сталь 20) диаметром d=25 мм, из которой были подготовлены 4 вида образцов. Образцы готовились следующим образом. На цилиндрической трубе осуществляли наплавку по винтовой линии [4]. В зону соприкосновения электрода с поверхностью каждого из образцов поступала порошкообразная шихта, представляющая собой смесь из порошков железа и борной кислоты в трех комбинациях, смешанных в объемных пропорциях (табл. 1).
Таблица 1
2H3BO3 = B2O3 + 3H2O, B2O3 + 3С =2 2B + 3CO.
Атомарный бор диффундирует вглубь стального изделия, обеспечивая протекание процесса бори-рования.
В диффузионном слое в зависимости от применяемой технологии насыщения, от состава шихты, флюса и химического состава стали формируются двухфазные или однофазные покрытия, состоящие из бори-дов FeB и Fe2B, под которыми располагается переходная зона — твердый раствор бора в а-железе.
Для рентгенографических исследований применяли дифрактометр X'Pert PRO.
Состав шихты [6]
№ образца Процентное содержание компонентов пасты
1 Fe-75 %+H3BO3-25 %
2 Fe-50 %+H3BO3-50 %
3 Fe-25 %+H3BO3-75 %
4 Исходный
Рис. 1. Модель установки для проведения наплавки на поверхность стальной трубы
Экспериментальные результаты
Распределение микротвердости по сечению поверх-
Измерения микротвердости зоны наплавки об- ностный слой — матрица углеродистой стали 20 в образца 1 не показали существенных результатов. разцах 2 и 3 приведено на рисунке 2.
4 ООО
Рис. 2. Микротвердость обра
Как следует из приведенных данных, наблюдается распределение микротвердости, представляющее собой обширную до 800-1000 мкм диффузионную зону, в которой диффузионным путем распределен бор.
Обсуждения
Измерения микротвердости боридных фаз показали, что микротвердость зоны наплавки образца 2 в среднем составила порядка 3,3-3,5 ГПа, а образца 3 — 3,4-3,5 ГПа (рис. 2), что выше примерно в 1,5 раза, чем микротвердость исходного образца стали 20, — 2207 МПа.
Распределение микротвердости по сечению наплавки позволяет определить толщину диффузионного слоя. За общую толщину слоя приняли расстояние
ов: а) образца 2; б) образца 3
от поверхности до места совпадения микротвердости слоя и подложки образца.
Отметим, что толщина диффузных слоев каждого из исследуемых образцов составляет около 960 мкм и 880 мкм соответственно. Используя формулу (1) зависимости толщины диффузионного слоя от времени борирования [9], вычислим коэффициенты диффузии при электродуговом борировании образцов:
к2=2Втн2 = D • т, (1)
где Ън — толщина диффузионного покрытия, м; Б — коэффициент диффузии, м2/с; т — продолжительность процесса, с. Время прохождения процесса МДХТО составило т =54,05 с.
Таблица 2
Коэффициенты диффузии исследуемых образцов
Размер диффузионной зоны, мкм Температура, 0С Коэффициент диффузии бора, м2/с
Параметры по литературе - 950 1,82-10-11 — 1,53-10-10
Образец 2 960 1250 8,510-9
Образец 3 880 1250 7-10-9
Коэффициент диффузии бора при 1250 0С на порядки величины выше значений коэффициента диффузии бора, указанного в литературе. Этот факт может свидетельствовать об аномально высоком процессе массопе-реноса бора в поверхностном слое стали 20.
Распределение микротвердости и образование фазы Бе3В подчиняются закономерностям формирования обширной диффузной зоны, а это говорит о том, что, во-первых, осуществляется аномальная диффузия, во-вторых, в ходе нагрева поверхности стального образца и шихты происходит сближение материала шихты на расстояние физической адсорб-
ции, что приводит к молекулярной адгезии между ними. Затем происходит химическое взаимодействие с переходом атомов через потенциальный барьер — образуется прочная межатомная связь, приводящая к взаимному растворению и диффузии атомов, что сопровождается формированием композиционной структуры в поверхностном слое. Адгезионный слой в данном случае — это слой наплавки, представляющий собой систему а- Бе + Бе3В.
На рисунке 3 представлены сравнительные данные рентгеноструктурного анализа исходного образца и образцов 2 и 3.
Рис. 3. Рентгеноструктурный анализ образцов: а — исходного образца (стали 20); б — образца 2; в — образца 3
Из проведенного анализа следует, что в сплавах системы Бе-В при составе шихты 50 % борной кислоты и 50 % порошка Бе (образец 2) и составе 75 % борной кислоты и 25 % порошка Бе (образец 3) выявлено образование фаз борида Бе3В, представляющего
собой тройную фазу с большим содержанием бора, чем в БеВ [10, 11].
В таблице 3 приведены соответствующие значения Ьк1 и межплоскостные расстояния образовавшихся соединений боридов железа Бе3В.
Таблица 3
Расшифровка данных рентгеноструктурного анализа
d I hkl
1,634 18 002
Fe3B тетрагональная 1,063 3 004
1,019 1 114
0,0906 1 152
Бориды типа Бе3Б существуют лишь в присутствии углерода. В этом случае Бе3Б являются продуктом замещения углерода бором и имеют формулу Бе3(Б,С). В фазе Бе3(Б,С) бор может замещать более 40 % атомов углерода, не изменяя ее кристаллическую структуру. Полученная фаза существует в термодинамическом равновесии при высоких температурах (1150-1250 °С) [12].
Заключение
Исследование диффузионной зоны при микродуговом борировании стали показало, что боридные диффузионные покрытия характеризуются высокой твердостью — 3,5 ГПа. Величина диффузионной зоны свидетельствует о наличии комплексного твердофаз-
ного механизма формирования борированного слоя за счет аномально высокого диффузионного массопе-реноса бора при микродуговом воздействии.
Рентгенографическое исследование зоны наплавки позволило выявить образование соединений Бе3Б. Опытным путем было выяснено, что наиболее эффективным является состав флюса, содержащий Бе-25%+Н3Б03-75 %.
Применение микродуговой химико-термической обработки позволяет интенсифицировать процесс диффузионного борирования по сравнению с традиционными методами и обеспечить формирование на поверхности стальных изделий упрочненного композиционного слоя с гетерогенной структурой.
Библиографический список
1. Лахтин Ю.М. Основы металловедения : учеб. М., 1988.
2. Лабунец В.Ф. Износостойкие боридные покрытия : справ. пособие. К., 1989.
3. Домбровский Ю.М., Степанов М.С. Создание композитных диффузионных боридных покрытий при микродуговом упрочнении в порошковых средах // Известия ВолгГТУ 2015. № 5 (160).
4. Наплавка металла: электродом и другие // Все о сварочных электродах. URL: https://weldelec.com/info/kak-pravilno-varit/naplavka/.
5. Бернштейн М.Л. Металловедение и термическая обработка стали. Изд-е перераб. и доп. М., 1991.
6. Шевчук Е.П., Плотников В.А., Ахметжанов Б.К. Исследование боридных слоев стали 20 после химико-термической обработки в индукционной печи // Фундаментальные проблемы современного материаловедения. 2018. Т. 15, № 3.
7. Шевчук Е.П., Плотников В.А. Композитные диффузионные боридные покрытия при микродуговом упрочнении в порошковых средах // Новые материалы и технологии : сборник научных статей III российско-казахстанской молодежной научно-технической конференции. Барнаул, 2015.
8. Домбровский Ю.М., Степанов М.С. Микродуговая цементация стальных изделий в порошковых средах // Упрочняющие технологии и покрытия. 2013. № 12.
9. Ворошнин Л.Г. Многокомпонентные диффузионные покрытия. Минск, 1981.
10. Павлов П.В., Хохлов А.Ф. Физика твердого тела : учебник. М., 2000.
11. Портной К.И., Левинская М.Х., Ромашов В.М. Диаграмма состояния Бе-Б // Порошковая металлургия. 1969. № 8.
12. Крукович М.Г., Прусаков Б.А., Сизов И.Г. Пластичность борированных слоев. М., 2010.
