CC BY
10
УДК 669-1
ИССЛЕДОВАНИЕ И ОЦЕНКА ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ
БОРИРОВАНИЯ ДЛЯ УПРОЧНЕНИЯ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ
СТАЛЕЙ Вихрев Роман Олегович, студент (e-mail: vichrevr900@gmail.com) Полянский Иван Петрович, к.т.н., доцент
(e-mail: i.polyansky@mail.ru) Сизов Игорь Геннадьевич, д.т.н., профессор (e-mail: sigperlit@mail.ru) Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления, г.Улан-Удэ, Россия
В статье проведено исследование и дана оценка возможности применения борирования для упрочнения инструментальных сталей 5ХНМ, 7Х3, У12. Установлено, что борирование позволяет получить на поверхности сталей покрытия с высоким комплексом механических свойств. В работе проведен металлографический анализ, установлена глубина борированных покрытий в зависимости от марки стали, определена микротвердость, проведены сравнительные испытания на износостойкость образцов после термической обработки и борирования.
Ключевые слова: химико-термическая обработка, борирование, металлографический анализ, микротвердость, износостойкость.
Результаты исследований выполнены при финансовой поддержке ФГБОУ ВО ВСГУТУ в рамках гранта «Молодые ученые ВСГУТУ» (Приказ 412од от 05.03.2022)
Введение
Одним из широко применяемых методов химико-термической обработки (ХТО) является борирование [1, 2]. Борированию подвергают детали с целью повышения твердости и износостойкости (при сухом трении, скольжением со смазкой и без смазки, абразивном изнашивании, фреттинг-коррозии и т.д.). Также борирование позволяет повысить коррозийную стойкость сталей в разных агрессивных средах и жаростойкость при температуре до 850 °C. Например, борирование позволяет повысить стойкость штампового инструмента для холодной и горячей штамповки от 2 до 10 раз, пресс-форм для прессования сыпучих материалов в 2-3 раза, волочильный и накатной инструмент в 2-10 раз, детали нефтяного оборудования в 2-4 раза, детали технологической оснастки до 10 раз, детали машин и механизмов работающих в абразивных условиях от 2 до 6 раз, детали литьевых машин и пресс-форм для литья цветных металлов и сплавов до 5 раз и т.д. [3, 4].
Одним из более важных вопросов является проблема, связанная со стойкостью штампового инструмента [5-7]. Поэтому вопросы, связанные с их упрочнением, являются наиболее актуальными [8, 9].
Цель работы заключалась в исследовании и оценке применения бориро-вания для упрочнения инструментальных сталей с целью повышения их механических свойств.
Методика исследований
В качестве исследуемых материалов использовали инструментальные стали, приведенные в таблице 1.
Таблица 1 - Химически состав сталей масс. доля в % (ГОСТ 5950-2000)
Марка стали Химический состав
С 81 Мп Сг Мо N1 Р 8 Си
5ХНМ 0.500.60 0.100.40 0.500.80 0.500.80 0.150.80 1.401.80 0.030 0.030 0.30
7Х3 0.650.75 0.150.35 0.500.80 3.203.80 0.20 0.35 0.030 0.030 0.30
У12 1.1-1.22 0.17-0.3 1.17-0.3 0.2 0.20 0.25 0.030 0.030 0.25
Легированные стали 5ХНМ и 7Х3 являются инструментальными штам-повыми сталями и широко используются для горячего и холодного деформирования [10, 11]. Данные стали применяются преимущественно для крупногабаритных изделий, таких как пуансоны, матрицы, крупные молотовые штампы и т.п. В слабонагруженных условиях в качестве штампов, матриц допускается использовать сталь У12.
Термическая обработка и борирование сталей осуществлялось в камерной печи СНОЛ-12/12.
Термическую обработку сталей проводили согласно справочным данным [10, 11]. Борирование проводили в контейнерах с плавким затвором в смеси, содержащей 95%Б4С+5%№Е при температуре 950 °С и временем выдержки 4 часа.
Металлографический анализ проводили на оптическом микроскопе Альтами МЕТ-2С с цифровой камерой для фиксации изображения. Измерение твердости и микротвердости проводили на твердомерах Роквелла ТР 5006 и ИУ-1000 соответственно. Испытания на износостойкость проводили на машине трения типа Амслер модели МИ-1. Изменение массы образцов регистрировали периодически через каждые 10 минут на аналитических весах.
Результаты и их обсуждение
В результате диффузионного насыщения бором были получены покрытия, представленные на рисунке 1. Основная часть покрытий на всех сталях состоит из игл, направленных вглубь основы, что характерно для бо-рированных покрытий классического типа [12].
На стали У12 от основных игл происходит продолжение покрытия в виде разветвленных мелких игл с их дальнейшем переходом в структуру основного металла по границам цементитной сетки. Такой тип покрытия от-
носится к «перистому» строению, что характерно для высокоуглеродистых сталей.
На легированных сталях 5ХНМ и 7Х3 структуры имеют более развитое строение. При переходе от основных игл в зону основного металла, эта фаза формируется в виде сетки.
Рисунок 1 - Микроструктуры борированных покрытий на сталях при увеличении х200: а) 5ХНМ, б) 7Х3, в) У12
Глубина диффузионных покрытий составляет: на стали 5ХНМ -75 мкм, на 7Х3-80 мкм и У12-100 мкм.
Уменьшение толщины покрытия связано с количеством легирующих элементов в стали. То есть, чем больше в стали содержится легирующих элементов (хром, молибден, никель, азот, марганец и т.д.), тем труднее проходит диффузионное насыщение [13].
га С
о
0
01 ш
I-
а
II
-У12 -5ХНМ 7X3
200 300 400
Расстояние от поверхности, мкм
500
600
Рисунок 2 - График распределения микротвердости по глубине бориро-ванных покрытий: I - зона распределения микротвердости упрочняющего покрытия, II - зона распределения микротвердости переходной зоны основного металла
Микротвердость по толщине покрытия на сталях У12, 5ХНМ и 7Х3 распределяется не равномерно. Зависимость распределения микротвердости по толщине упрочняющих покрытий показано на рисунке 2.
Микротвердость покрытий уменьшается по мере удаления от поверхности. На расстоянии 30 мкм составляет: У12 - 18000-18500 МПа, 5ХНМ -17500-18000 МПа, 7Х3 - 17500-18000 МПа; на расстоянии от поверхности 60 мкм: У12 - 16500-17000 МПа, 5ХНМ - 16000-16500 МПа, 7Х3 - 1550016000 МПа; на расстоянии от поверхности 90 мкм: У12 - 11500-12000МПа,5ХНМ - 12500-13000 МПа, 7Х3 - 12000-12500 МПа. Микротвердость переходной зоны основного металла составляет 4000-5000 МПа на всех сталях.
Сравнительные испытания на износостойкость проводили на образцах, обработанных двумя способами.
В первом случае образцы из сталей У12, 5ХНМ, 7Х3 подвергали термической обработке (закалке с последующим отпуском) по режимам, приведенными в таблице 2. Для назначения температуры закалки руководствовались справочными данными [10, 11].
Таблица 2 - Температуры термической обработки сталей
Марка стали Температура закалки, °С Температура отпуска, °С
5ХНМ 850 350
7Х3 870
У12 780
Так как штамповый инструмент должен обладать высокой износостойкостью и при этом иметь высокую вязкость, температуру отпуска выбирали исходя из требований к механическим свойствам. Для всех образцов отпуск проводили при температуре 350 °С. Средний отпуск (300-400 °С) обеспечивает в изделиях относительно высокую твердость (НЯС 40-54) и максимальный предел упругости при достаточном пределе прочности [14].
Твердость сталей после термической обработки приведены в таблице 3.
Таблица 3- Твердость сталей после термической обработки
Твердость стали, НЯС
закалка отпуск
55-57 49-51
58-60 51-53
65-67 56-58
Таким образом, на данных сталях были получены оптимальные значения твердости.
Во втором случае перечисленные образцы сталей подвергали борирова-нию.
Износостойкость сталей определяли по принципу изменения массы, по формуле Аш = Ш1~Ш1 X 100 %.
Где: Аш - относительное изменение массы образца, Ш1 - начальная масса образца, Ш! - масса образца после испытаний.
Испытания проводили до полного разрушения диффузионного покрытия.
Результаты испытаний на износостойкость сталей после термической обработки и борирования приведены на рисунке 3.
1
2
Рисунок 3 - Графики изменения массы сталей после термической обработки и борирования: а) У12, б) 5ХНМ, в) 7Х3, 1 - после термической
обработки, 2 - после борирования
Из рисунка 3 видно, что значительное изменение массы образцов после термической обработки происходит с первых минут испытаний. После бо-рирования видимые изменения происходят для стали У12 после 15 минут испытаний, для стали 5ХНМ после 30 минут и стали 7Х3 после 15 минут.
Проведение металлографического анализа и определение микротвердости позволили сделать вывод, что значения микротвердости покрытия на стали 5ХНМ уступает значениям микротвердости покрытия на стали У12 и уступает по толщине покрытиям на сталях У12 и 7Х3. Однако, несмотря на это, борированная сталь 5ХНМ имеет более высокие показатели по износостойкости. Вероятнее всего это связано с формированием более пластичного покрытия из-за входящих в состав стали легирующих элементов.
Выводы
1. Металлографический анализ позволил установить, что в зависимости от марки стали формируются диффузионные покрытия различной глубины и структуры. Глубина покрытий на сталях составляет: 5ХНМ - 75 мкм, 7Х3 - 80 мкм, У12 - 100 мкм.
2. Микротвердость борированных покрытий уменьшается по мере удаления от поверхности. На расстоянии 30 мкм составляет: 5ХНМ - 17001800 НУ, 7Х3 - 1750-1850 НУ, У12 - 1800-1850 НУ; на расстоянии от поверхности 60 мкм: 5ХНМ - 1500-1600 НУ, 7Х3 - 1550-1600 НУ, У12 -1600-1700 НУ; на расстоянии от поверхности 90 мкм: 5ХНМ - 1150-1250
а
в
\
\
НУ, 7Х3 - 1200-1250 НУ, У12 - 1180-1250 НУ. Микротвердость основы составляет 400-500 НУ на всех сталях.
3. Испытания на износостойкость показали, что значительное изменение массы образцов после термической обработки происходит с первых минут испытаний. После борирования видимые изменения происходят для стали 5ХНМ после 30 минут и стали 7Х3 после 15 минут, для стали У12 после 15 минут испытаний.
4. Не смотря на то, что борированный слой на стали 5ХНМ уступает по микротвердости на сталях 7Х3 и У12, его износостойкость выше. Вероятнее всего это связано с формированием более пластичного слоя из-за входящих в состав стали легирующих элементов.
5. На основе полученных данных можно рекомендовать борирование для повышения стойкости деталей, работающих в условиях повышенного износа.
Список литературы
1. Борирование стали [Текст] / Л.Г. Ворошнин, Л.С. Ляхович. - М.: Металлургия, 1978. - 230 с.
2. Борирование промышленных сталей и чугунов [Текст]: справ. пособие / Л.Г. Ворошнин. - Минск: Беларусь, 1981. - 205 с.
3. Химико-термическая обработка металлов и сплавов. Справочник [Текст] /Г.В. Бо-рисенок, Л.А. Васильев, Л.Г. Ворошнин [и др.].
4. Анфиногенов, А. И. Самопроизвольные электрохимические транспортные реакции в ионных и ионно-электронных солевых расплавах. Получение диффузионных покрытий / А. И. Анфиногенов, В. В. Чебыкин, Я. Б. Чернов // Электрохимия. - 2007. - Т. 43. - № 8. - С. 1017-1025.
5. Упрочнение поверхностных слоев штамповых сталей борированием [Текст] / Т.В. Емельянова, В.И. Грызунов, Е.Ю. Приймак, Н.В. Фирсова // Упрочняющие технологии и покрытия. - 2017. - Т. 13. - № 1 (145). - С. 40-44.
6. Трахтенберг Б.Ф. Стойкость штампов и пути ее повышения [Текст] / Б.Ф. Трах-тенберг. - Куйбышев: Куйбышевское книжное издательство, 1964. - 280 с.
7. Зубцов М.Е. Стойкость штампов [Текст] / М.Е. Зубцов, В.Д. Корсаков. - Л.: Машиностроение, 1971. - 200 с.
8. Емельянова Т. В. Упрочнение поверхностных слоев штамповых сталей борирова-нием [Текст] / Т.В. Емельянова, В.И. Грызунов, Е.Ю. Приймак, Н.В. Фирсова // Упрочняющие технологии и покрытия. - 2017. - Т. 13. - № 1 (145). - С. 40-44.
9. Особенности диффузионного многокомпонентного насыщения поверхности штамповых сталей [Текст] / С.Г. Иванов, М.А. Гурьев, И.А. Гармаева, Е.А. Кошелева, А.М. Гурьев // Ползуновский альманах. - 2013. - № 2. - С. 81-85.
10. Сорокин В.Г. Стали и сплавы. Марочник [Текст] / В.Г. Сорокин, М.А. Гервасьев. - М.: Интермет Инжиниринг, 2001. - 608 с.
11. Зубченко А.С. Марочник сталей и сплавов [Текст] / А.С. Зубченко. - 2-е изд., пе-рераб. и доп. - М.: Машиностроение, 2003, - 784 с.
12. Крукович М.Г. Пластичность борированных слоев [Текст] / М. Г. Крукович, Б.А. Прусаков, И Г. Сизов. - Москва: ФИЗМАТЛИТ, 2010. - 384 с.
13. Ворошнин Л.Г. Теория и технология химико-термической обработки [Текст] / Л.Г. Ворошнин, О. Л. Менделеева, В. А. Сметкин. - М.: Новое знание, 2010. - 304 с.
14. Гуляев, А. П. Металловедение: учебник для вузов / А. П. Гуляев, А. А. Гуляев. -7-е издание переработанное и дополненное. - Москва: Альянс, 2015. - 644 с.
Vikhrev Roman Olegovich, student (e-mail: vichrevr900@gmail.com)
Polyansky Ivan Petrovich, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor (e-mail: i.polyansky@mail.ru)
Sizov Igor Gennadievich, Doctor of Technical Sciences, Professor (e-mail: sigperlit@mail.ru)
East Siberian State University of Technology and Management, Ulan-Ude, Russia RESEARCH AND EVALUATION OF THE POSSIBILITY OF USING BORATION FOR HARDENING TOOL STEELS
Abstract. The article investigates and evaluates the possibility of using boration to harden tool steels 5XNM, 7X3, U12. It is established that boration makes it possible to obtain coatings with a high complex of mechanical properties on the surface of steels. Metallographic analysis was carried out, the depth of borated coatings was determined depending on the steel grade, microhardness was determined, comparative tests for wear resistance of samples after heat treatment and boration were carried out.
Keywords: chemical-thermal treatment, boration, metallographic analysis, microhardness, wear resistance.
