CC BY
0Б.Д. Лыгденов, д-р техн. наук, доц. ВСГТУ В.И. Мосоров, ст. преп., ВСГТУ А.Ц. Мижитов, ст. преп., ВСГТУ
УДК 669.01: 621.785.5
ИССЛЕДОВАНИЕ ФАЗОВОГО СОСТАВА И ДЕФЕКТНОГО СОСТОЯНИЯ ГРАДИЕНТНЫХ СТРУКТУР БОРИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ 45 и 5ХНВ
Методами электронной дифракционной и растровой микроскопии и методом рентгеноструктурного анализа изучена градиентная структура сталей 45 и 5ХНВ, борированных из насыщающих обмазок. Выполнены количественные оценки тонкой структуры сталей и фазовый анализ по мере удаления от борированной поверхности. Дана классификация слоев градиентной структуры и описаны механизмы формирования фаз.
Ключевые слова: сталь, диффузия, структура, электронная микроскопия, фаза, химико-термическая обработка.
B.D. Lygdenov, Dr. of Tech. Sci., Prof., V.I. Mosorov, A.C. Mizhitov
STUDY OF PHASE COMPOSITION AND DEFECTIVE STATE OF THE GRADIENT STRUCTURES OF BORATED STEELS 45 and 5ХНВ
The article reveals methods of electronic diffraction and raster microscopy and a method of X-rays analysis, which study gradient structure of steels 45 and 5ХНВ borated with saturated coatings. The quantitative assessment of the fine structure of steels and phase analysis of distancing from the borated surface are worked out. The classification of the layers of the gradient structure and the mechanism offormation ofphases are given in the article.
Key words: steel, diffusion, structure, electron microscopy, phase, chemical-thermal treatment.
Методами электронной дифракционной и растровой микроскопии и методом рентгеноструктурного анализа изучена градиентная структура сталей 45 и 5ХНВ борированных из насыщающих обмазок. Выбор этих марок сталей обусловлен исследованием общей закономерности и особенности процессов структурообразования в борированных сталях разного состава. Выполнены количественные оценки тонкой структуры сталей и фазовый анализ по мере удаления от борированной поверхности. Дана классификация слоев градиентной структуры и описаны механизмы формирования фаз.
Введение
Ранее исследованы и описаны основные закономерности и механизмы борирования малоуглеродистой феррито-перлитной стали 10 [1-4]. Структуру борированного слоя изучали послойно с помощью тонких фольг, вырезанных на различном удалении от поверхности образца. Как было установлено, структура борированного слоя феррито-перлитной стали имеет более сложное строение, чем предполагалось в ранее описанных исследованиях. Переходная зона является карбоборидной. Фазовый состав внутри всей карбоборидной зоны не меняется, однако механизм ее формирования на разных участках (в слоях) различен. Карбоборидную зону можно разделить, в свою очередь, на четыре слоя (зоны): 1- слой, формируемый объемной диффузией бора; 2 - слой, где вклады от объемной диффузии бора и диффузии бора по границам, вновь образованным в ходе борирования материала, примерно равны; 3 - слой, где диффузия бора идет преимущественно по вновь созданным границам; 4 - слой, где диффузия бора идет практически только по старым границам (границам зерен).
Было показано, что процесс борирования реализуется семью механизмами: 1. Реакционной диффузией по межфазным границам. 2. Диффузией по новым границам зерен. 3. Диффузией по старым границам зерен. 4.Диффузией вместе с мигрирующими границами. 5.Диффузией по субграницам. 6.Диффузией по дислокациям. 7.Диффузией в бездефектном объеме материала.
Для каждого слоя в таблице 1 обозначен основной механизм (буквой А). Вторичные механизмы, влияние которых заметно, но меньше влияния основного механизма, обозначены буквой Б, а механизмы, которые действуют, но мало влияют на процесс, обозначены В.
Первый слой формируется реакционной диффузией. Диффузия по новым границам дает основной вклад во 2, 3 и 4 слоях. В 4 слое также значительный вклад дает объемная диффузия. В 5 и 6 слоях, наряду с диффузией по старым границам, миграция старых границ делает свои вклады основными.
Таблица 1
Механизмы диффузии в процессе борирования стали
Номер слоя Расстояние от поверхности образца Виды диффузии
Реакционная по меж-фаз. границам По новым границам По старым границам Вместе с мигрирующими границами По субграницам По дислокациям В объеме материала
1 Поверхность А - - В - - В
2 125мкм - Б В Б - В Б
3 225мкм - А В Б В В Б
4 350мкм - А В Б В В А
5 500мкм - А В Б В В Б
6 2,5 мм - - А В - В -
Центр образца 6,5 мм - - - - - - В
Установлено, что формирующиеся в ходе борирования новые границы зерен и субзерен выполняют тройную роль. Во-первых, они служат основным каналом насыщения атомами бора и углерода ос -новных глубинных слоев. Во-вторых, на них локализована большая часть карбоборидов. В-третьих, на них расположена значительная часть атомов бора и углерода, еще не образовавшихся карбоборидов. Установлено, что диффузия по границам зерен является главным механизмом карбоборирования за исключением наружного слоя, где решающим фактором является реакционная диффузия [5 - 7].
Материал и методики исследования
Проведены экспериментальные исследования структуры и фазового состава борированного слоя на поверхности сталей. Исследованы феррито-перлитные среднеуглеродистые стали 45 и 5ХНВ (рис.1 -
4).
Исследования проводились тремя методами: 1) методом растровой электронной микроскопии (РЭМ); 2) методом электронной дифракционной микроскопии (ПЭМ) и 3) методом рентгеноструктурно-го анализа (РСА). Исследование поверхности, выполненное методом РЭМ, проведено с помощью электронного микроскопа Tesla BS-301. Электронно-микроскопические исследования проведены на электронном микроскопе ЭМ-125 при ускоряющем напряжении 125 кВ. Идентификация фазового состава и определение размеров и объемной доли выделений проводились по изображениям, подтвержденным микродифракционными картинами и темнопольными изображениями, полученными в соответствующих рефлексах.
Рис.1. Структура борированной стали 45 (х 400)
Рис.2. Микроструктура боридного слоя феррито-перлитной стали. Отмечены присутствующие фазы, установленные с помощью метода дифракционной электронной микроскопии. Разрез сделан параллельно
поверхности образца на глубине 40 мкм
Съемки рентгенограмм проводили на дифрактометре ДРОН-3 в монохроматическом Fe-Ka излучении с автоматической записью на диаграммную ленту.
Для приготовления фольг для просмотра в электронном микроскопе из образцов на различных глубинах вырезались тонкие пластинки толщиной 0.2 - 0.3 мм на электроискровом станке. Режим вырезки был подобран таким образом, что не вносил дополнительной деформации и, следовательно, не влиял на структуру образца. Фольги полировались электролитически. Состав электролита: пересыщенный раствор ортофосфорной кислоты хромовым ангидридом. Температура электролита при приготов -лении фольг составляла 30-50оС.
По снимкам, полученным в электронном микроскопе, измерялись следующие параметры: средние размеры зерен; размеры, плотность и объемные доли выделений; скалярная плотность дислокаций, амплитуда кривизны-кручения кристаллической решетки.
Фазовый состав диагностировался по дифракционным картинам, полученным двумя способами: 1) рентгеновскому дифракционному анализу и 2) дифракционной электронной микроскопии.
Изображение (рис.3) получено на поверхности образца (слой I): а - светлопольное изображение; б - темнопольное изображение, полученное в совпадающих рефлексах [221]3 + [1 30]1-2; в - микродифракционная картина, полученная с участка (а), содержит рефлексы, принадлежащие плоскостям (931)1, (б21 )2 и (l 34)3, где 1 и 2 - борид FeB, 3 - борид Fe8B. Белой стрелкой на (б) отмечена частица борида Fe2B.
Рис.3. Тонкая структура борированной стали 45
Рис.4. Тонкая структура борированной стали 5ХНВ. Изображение получено на расстоянии 60 мкм от поверхности образца (слой II): а - светлопольное изображение; б - микродифракционная картина; в - её схема (разными значками отмечены рефлексы, относящиеся к плоскостям фаз, указанных ниже). Белыми стрелками на (а) отмечены частицы борированного цементита Бе3(С,Б), черными - частицы карбоборида Бе23(С,Б)6, фигурными - частицы борида Бе2В, расположенного по границам кристалла БеВ
Результаты и их обсуждение
В данной работе выделим общие закономерности и особенности процессов структурообразования в борированных сталях разного состава.
Поверхностная структура в исследуемых сталях фактически формируется тремя химическими элементами: железом, бором и углеродом. Железо является основным элементом, бор - основным легирующим элементом на поверхности, углерод присутствует в количестве, введенном в стали.
В результате проведенных исследований установлено следующее:
1. В любой точке образца присутствуют зерна феррита разной степени легированности.
2. Присутствует пластинчатый перлит в виде зерен или прослоек по границам зерен феррита. Перлит представляет собой чередование параллельных пластин феррита и карбида железа.
3. Карбоцементит (борный цементит) Бе3(С,Б), в котором часть углерода замещена бором. Присутствует борированный цементит в основном в переходной зоне.
4. Карбоборид Бе23(С,Б)6 располагается в теле зерна феррита на дислокациях.
5. Карбид бора Б4С присутствует в стали только на поверхности диффузионного слоя.
6. Борид железа Бе2Б - представляют собой иглообразные формы (см. рис.1).
7. Борид железа БеБ - присутствуют в боридном слое в виде частиц округлой формы.
Как отмечено выше, диффузия атомов бора идет по дефектам кристаллического строения и реализуется семью механизмами (табл.1), бориды БеБ, которые представляют собой крупные кристаллы и составляют основу слоя, являются бездефектными (рис. 5), поэтому слой I - это бездефектный слой.
В слое II, помимо боридов БеБ и Бе2Б, присутствует а-фаза, обладающая дефектной (дислокационной) структурой (рис.6 а-б). Скалярная плотность дислокаций (измерения выполнены методом секущих [8]) в этом слое достаточно велика и составляет величину -4.5-1014 м-2 (табл. 2). По мере удаления от борированной поверхности плотность дислокаций в стали 5ХНВ возрастает с выходом на насыщение (см. табл. 2). Такая же зависимость наблюдается в стали 45.
Можно констатировать, что борирование формирует своеобразный особый вариант дислокационной структуры по слоям. В слое I, как и в слое II, крупные бориды железа бездефектны. В а-фазе дислокации всегда присутствуют, и их скалярная плотность увеличивается при удалении от борированного слоя. Совершенно очевидно, что зависимость р = Г(Х) представляет собой зависимость, обратную зависимости СВ = й(Х). Этому можно дать объяснение.
■313 213
Рис.5. Тонкая структура борированной стали 5ХНВ. Изображение получено на расстоянии 10-20 мкм от поверхности образца (слой I): а - светлопольное изображение; б - темнопольное изображение, полученное в рефлексе [ 1 20] ¥гВ ; в - микродифракционная картина, полученная с участка (а), содержит только рефлексы, принадлежащие плоскости (635) БеБ. Белыми стрелками отмечены частицы борида Бе2Б, расположенные
на границах кристаллов БеБ
Таблица 2
Количественные параметры структуры (данные ПЭМ)
Диффузионный слой Сталь 5ХНВ Сталь 45
1 А-14 -2 р-10 ,м С, см-1 1 а-14 -2 р-10 ,м С, см-1
Борированный слой I Бездислокационный слой
II 4,4 870 2,8 -
Промежуточный слой III 5,6 0 - -
Рис.6. Дислокационная структура борированной стали 5ХНВ на разных расстояниях от поверхности борирования: а- 60 мкм, б- 80 мкм, в- 150 мкм, г- 820 мкм (а, б - слой I, в - слой II)
Наиболее равновесная структура - это бориды железа. Они практически не напряжены и не генерируют дислокации. Поскольку бор не растворяется в кристаллической решетке а-фазы, он осаждается на дефектах кристаллического строения - дислокациях, границах зерен и может оказаться даже в вакансиях.. Растворенные таким образом атомы бора создают внутренние напряжения и генерируют дислокации. Другое место локализации атомов бора - мелкие частицы карбоборидов Бе3(С,Б) и Бе23(С,Б)6. Рост этих частиц создает внутренние напряжения и генерирует дислокации.
Заключение
1. Исследованы структуры диффузионных слоев, полученных насыщением сталей в условиях, когда существовали возможности образования больших количеств как карбидов, так и интерметаллидов.
2. Исследованы и описаны основные закономерности и механизмы борирования феррито-перлитной стали. В результате проведенных исследований установлено следующее:
а) В любой точке образца присутствуют зерна феррита разной степени легированности.
б) Присутствует пластинчатый перлит в виде зерен или прослоек по границам зерен феррита. Перлит представляет собой чередование параллельных пластин феррита и карбида железа.
Детальное исследование тонкой структуры борированных слоев стали 45 и стали 5ХНВ, их фазового состава и плотности дефектов показало, что вне зависимости от типа стали формируется 4 основных слоя. Первый слой почти полностью состоит из борида железа FeB. В небольших количествах присутствуют бориды Fe2B и в отдельных случаях Fe8B. Во втором слое бориды железа не занимают весь объем. Наряду с ними присутствует a-фаза и карбобориды Fe3(C,B) и Fe23(C,B)6. Третий слой содержит остатки боридов железа. Бор в этом слое расположен, в основном, в карбоборидах. Четвертый слой сохраняет исходную структуру.
В работе детально исследован фазовый состав и дефектное строение всех выделенных слоев. Установлено, что во всех сталях по мере удаления от поверхности борирования концентрация атомов бора уменьшается, в то время как плотность дефектов кристаллической решетки возрастает. Это связано с удалением от равновесной структуры по мере удаления от борированной поверхности.
Библиография
1. Гурьев А.М., Козлов Э.В., Игнатенко Л.Н., Попова Н.А. Физические основы термоциклического борирова-ния сталей. - Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2000. - 216 с.
2. Гурьев А.М., Козлов Э.В., ПоповаНА.и др. Изменение фазового состава и механизм формирования структуры переходной зоны при термоциклическом карбоборировании феррито-перлитной стали // Изв. вузов. Физика. №11. - 2000.- Т.43.- С. 60 - 67.
3. Гурьев А.М., Козлов Э.В., ПоповаНА.и др. Изменение фазового состава и механизм формирования структуры переходной зоны при термоциклическом борировании феррито-перлитной стали // Изв. вузов. Физика. № 2.2001.- С. 58 - 63.
4. Guriev A.M., Kozlov E.V., Kirienko A.M., Popova N.A. Phase composition transformation and trasition zone structure formion mehanism in the process of termocyclic ferrite-perlite steel borating // Book of Abstracts 7th international symposium on advanced materials (ISAM-2001).-17-21 September 2001. Islamabad, Pakistan, 2001. P. 122.
5. Гурьев А.М., Лыгденов Б.Д., Гурьева О.А. и др. Особенности формирования структуры диффузионного слоя на литой стали при химико-термической обработке // Фундаментальные проблемы современного материаловедения. - 2005. - №1. - С. 39-41.
6. Лыгденов Б.Д., Гурьев А.М., Гармаева И.А. и др. Особенности формирования структуры диффузионного слоя и разработка технологии упрочнения литых инструментальных сталей с учетом дендритной ликвации // Фундаментальные проблемы современного материаловедения. - 2006. - №3.- С. 84-86.
7. Гурьев А.М., Власова О.А., Лыгденов Б.Д. и др. Повышение прочности инструментальных сталей методом термоциклического борирования // XVII Петербургские чтения по проблемам прочности. Санкт-Петербург, 10-12 апреля 2007 г.: сборник материалов. - Ч. 1.- СПб., 2007.- С. 196 - 198.
8. Хирш П., Хови А., Николсон Р. и др. Электронная микроскопия тонких кристаллов. - М.: Мир, 1968. -
574с.
9. Самсонов Г.В., Винницкий И.М. Тугоплавкие соединения (справочник). - М.: Металлургия, 1976. - 500с.
Bibliography
1. Guriev A.M., Kozlov E.V., Ignatenko L.N., Popova N.A. Physical basis of thermal cyclic steels bonding. -Barnaul: Altai State Technical University Publishing House, 2000. - 216p.
2. Guriev A.M., Kozlov E.V., Popova N.A., et al. Changes in phase composition and structure formation mechanism of the transition zone with thermal cycling carboboronizing ferritic-pearlitic steel, "Izv. Universitetov, Physics, № 11. -2000 .- Vol.43 .- P. 60 - 67.
3. Guriev A.M., Kozlov E.V., Popova N.A., et al. Changes in phase composition and structure formation mechanism of the transition zone with thermal cycling carboboronizing ferritic-pearlitic steel, "Izv. Universitetov, Physics, № 2 .- 2001 .- P. 58 - 63. P. 58 - 63.
4. Guriev A.M., Kozlov E.V., Kirienko A.M., Popova N.A. Phase composition transformation and trasition zone structure formion mehanism in the process of termocyclic ferrite-perlite steel borating // Book of Abstracts of 7th international symposium on advanced materials (ISAM-2001) .- 17 - 21 September 2001. Islamabad, Pakistan, 2001. - P. 122.
5. Guriev A.M., Lygdenov B.D., Gurieva O.A. et al. Particularities of the structure forming of the diffusion layer on the molten steel during thermal chemical processing / Fundamental problems of modern materials. - 2005. - N° 1. -P. 39-41.
6. Lygdenov B.D., Guriev A.M., Garmaeva I.A. et al. Particularities of the structure forming of the diffusion layer and the development of the technology of hardening of cast tool steels, taking into account dendritic segregation // Fundamental problems of modern materials. - 2006. - № 3. - P. 84-86.
7. Guriev A.M., Vlasov O.A., Lygdenov B.D. et al. Increased strength of tool steels by thermal cycling boriding / / XVII Petersburg Readings on strength problems. St. Petersburg, 10-12 April 2007: a collection of materials. - Part 1 .-SPb., 2007 .- P. 196 - 198.
8. Hirsch P., Howie A., Nicholson R. et al. Electron microscopy of thin crystals. - Moscow: Mir, 1968. - 574p.
9. Samsonov G.V., VinnitsaI.M. Refractory compounds (directory). - M.: Metallurgy, 1976. - 500P.
