CC BY
34
УДК 669.14.018.298'781
Н. Ю. ФИЛОНЕНКО (УДХТУ, Днепропетровск), С. Б. ПИЛЯЕВА (ДНУ им. О. Гончара, Днепропетровск), С.И. КУЛИКОВ (УДХТУ, Днепропетровск)
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ХОЛОДНОЙ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ НА ПРОЦЕСС ДИФФУЗИОННОГО НАСЫЩЕНИЯ ОДНОВРЕМЕННО УГЛЕРОДОМ И БОРОМ НИЗКОУГЛЕРОДИСТЫХ И БОРСОДЕРЖАЩИХ СПЛАВОВ
Роботу присвячено вивченню впливу попередньо! холодно! пластично! деформаци 3i ступенем деформаци 0... 40 % на процес дифузшного насичення бором i вуглецем низьковуглецевих та бормiстячих сплавiв на залiзнiй основi. Встановлено, що попередня холодна пластична деформацiя низьковуглецевого сплаву 3i ступенем деформацi! 20 % при температурi 750 °С сприяе збiльшенню глибини дифузiйно! зони на 25 % та збшьшенню мшротвердосп перлiтного шару на 20 %.
Ключовi слова: низьковуглецевi та бормiстячi сплави на залiзнiй основу попередня холодна пластична деформацiя, глибина дифузшно! зони, мiкротвердiсть перлiтного шару, дифузшне насичення
Работа посвящена изучению влияния предварительной холодной пластической деформации со степенью деформации 0...40 % на процесс диффузионного насыщения бором и углеродом низкоуглеродистых и бор-содержащих сплавов на железной основе. Установлено, что предварительная холодная пластическая деформация низкоуглеродистого сплава со степенью деформации 20 % при температуре 750 °С способствует увеличению глубины диффузионной зоны на 25 % и увеличению микротвердости перлитного слоя на 20 %.
Ключевые слова: низкоуглеродистые и борсодержащие сплавы на железной основе, предварительная холодная пластическая деформация, глубина диффузионной зоны, микротвердость перлитного слоя, диффузионное насыщение
This work is devoted to the study of influence of cold prestrain with degree of deformation within the range 0...40 % on diffusion saturation with boron and carbon for low-carbon and boron steels. It is determined that the plastic prestrain with degree of deformation 20 % at temperature 750 °С for the low-carbon steel promote increasing of boron-cementation layer thickness by 25 % and microhardness of perlite layer by 20 %.
Keywords: low-carbon and boron steels, plastic prestrain, boron-cementation layer thickness, microhardness of perlite layer, diffusion saturation
Диффузионные процессы в сплавах прошедших предварительную деформацию представляют интерес, поскольку они описывают процессы в условиях, при которых сплав находится в неравновесном состоянии. Влияние степени предварительной холодной пластической деформации на процесс диффузионного насыщения сталей исследовано в работах [1, 2]. Показано, что холодная пластическая деформация ускоряет массоперенос углерода. Кроме того, что присутствие бора в сталях и в средах для цементации способствует ускорению процессов науглероживания [3, 4].
В данной работе изучали влияние степени предварительной холодной пластической деформации в низкоуглеродистых и борсодержа-щих сплавах на процесс диффузионного насыщения поверхности одновременно углеродом и бором.
Исследование проводили на образцах железоуглеродистого сплава с массовой долей угле-
рода 0,25 % и железоборуглеродистом сплаве с массовой долей углерода 0,25 % и бора 0,035 %.
Исследуемые сплавы предварительно обрабатывали по следующим режимам: отжигали при температуре 900 °С в течение 5 часов; подвергали предварительной холодной пластической деформации при температуре 25 °С и степенях деформации 0.40 %.
После предварительной обработки осуществляли: насыщение поверхности образцов углеродом и бором при температуре 950 °С в среде, состоящей из древесноугольного карбюризатора, карбида бора и фтористого активатора в течение 4 часов.
Микроструктуру сплавов исследовали на сканирующем электронном микроскопе с микроанализатором JSM-6490 series и на микроскопе «Неофот-21». Микромеханические характеристики сплавов измеряли на микротвердомере ПМТ-3. Фазовый состав сплавов, плот© Филоненко Н. Ю., Пиляева С. Б., Куликов С. И., 2010
ность дислокации определяли с помощью рентгеноструктурного анализа на установке ДРОН-3 в Бе^-излучении. Послойный спектральный анализ проводили по методике [5].
Микроструктура исходного состояния представляла ферритно-перлитную смесь. В результате холодной пластической деформации со степенью 20 % в низкоуглеродистом сплаве происходит незначительное дробление перлитных пластин. В борсодержащем сплаве перлитная область с разной степенью дисперсности.
Проведено определение плотности дислокаций низкоуглеродистого и борсодержащего сплавов для определения их на последующее диффузионное насыщение в зависимости от степени предварительной деформации.
Исследование плотности дислокаций низкоуглеродистого и борсодержащего сплавов показало, что в борсодержащем сплаве плотность дислокаций в феррите увеличивается менее интенсивно, чем в низкоуглеродистом (рис. 1) с увеличением степени пластической деформации.
На рис. 2 представлена зависимость глубины диффузионной зоны от степени предварительной холодной пластической деформации. Как видно из рис. 2, а, предварительная холодная пластическая деформация низкоуглероди-
стого сплава способствует диффузии атомов углерода и бора. Причем, максимальная глубина диффузионной зоны наблюдается после предварительной холодной пластической деформации со степенью деформации 20 %.
5,00E+11
§ 4,00E+11
х 3,00E+11 cl
¡5 2,00E+11
о
jE 1.00E+11 о
,5 1,00E+06
степень предварительной холодной деформации, %
Рис. 1. Зависимость плотности дислокаций в феррите от степени предварительной деформации для: а) ▲ - низкоуглеродистого; б) ■ - борсодержащего сплава
Дальнейшее увеличение степени предварительной деформации приводит к уменьшению глубины диффузионной зоны. В борсодержа-щих сплавах, прошедших предварительную холодную пластическую деформацию, наблюдали уменьшение глубины диффузионной зоны с увеличением степени предварительной пластической деформации (рис. 2, б).
Рис. 2. Зависимость глубины диффузионной зоны бора и углерода от степени предварительной пластической деформации для: а) низкоуглеродистого сплава, б) борсодержащего сплава
На рис. 3 приведена зависимость микротвердости перлита после бороцементации в перлитной зоне низкоуглеродистого и борсо-
держащего сплавов в зависимости от степени предварительной пластической деформации.
а)
10 20 30 40
Степень предварительной деформации,%
Степень предварительной деформаци,%
б)
Рис. 3. Зависимость микротвердости перлита на глубине 150 мкм, полученного после бороцементации, от степени предварительной деформации для: а) низкоуглеродистого, б) борсодержащего сплавов
380
325
270
Микротвердость перлита борцементованно-го слоя в борсодержащем и в низкоуглеродистом сплавах выше для образцов, предварительно деформированных. Кроме того, борсо-держащий сплав имеет большую величину микротвердости перлита в сравнении с низкоуглеродистым при одинаковых условиях обработки.
В результате насыщения поверхности отожженного низкоуглеродистого сплава углеродом и бором образуется перлит с крупными пластинами. По границам зерен присутствуют выделения борцементита.
При насыщении низкоуглеродистого сплава, прошедшего предварительную деформацию, ширина пластин перлита уменьшается, края пластин приобретают округлую форму. Выделение борцементитных частиц происходит не только по границам перлитных зерен, но и в перлите.
При насыщении поверхности отожженного борсодержащего сплава одновременно бором и углеродом происходит образование мелкодисперсного перлита в диффузионной зоне, по границам и в зерне которого присутствуют включения бороцементита. Наличие предварительной пластической деформации способствует образованию зернистого перлита в бороце-ментованном слое. При этом количество боро-цементитных частиц в объеме перлитного зерна увеличивается.
На поверхности борсодержащего сплава после одновременного насыщения углеродом и бором формируется борокарбидный слой, состоящий из кубического борокарбида Бе23(СВ)6.
В работе проводили расчет коэффициентов диффузии бора и углерода для процесса одновременного насыщения бором и углеродом поверхности исследуемых сплавов. Для расчета использовали методику, изложенную в работах [6 - 8]. Решение системы дифференциальных уравнений позволяет определить парциальные коэффициенты диффузии углерода и бора:
дс1 =_д. ф С
дt дх 11 дх
о С),
А
дх дС2
дС2 =д. (О дС1, ^ дt дх 21 дх 22 дх
где Бц - коэффициент диффузии углерода; О22 - коэффициент диффузии бора под действием собственных градиентов концентрации; А2 - коэффициент диффузии углерода под действием градиента концентрации бора, О21 -коэффициент диффузии бора под действием градиента концентрации углерода.
Решение данной системы уравнений проводили при следующих граничных и начальных условиях: при бороцементации низкоуглеродистого сплава: С^х, 0) = Сю , С^да, ^ = Ст , где Сю -первоначальное содержание углерода в низкоуглеродистом сплаве; при бороцемента-ции борсодержащего сплава: С2(х, 0) = С20 , С2(да, () = С20 , где С20 - первоначальное содержание бора в борсодержащем сплаве.
Решение данной системы уравнений осуществляли методом численного анализа. Результаты расчета приведены в табл. 1. Как видно из результатов расчета, приведенных в табл. 1, в низкоуглеродистом сплаве, прошедшем предварительную обработку и борсодержащем сплаве без предварительной деформации присутствие бора в насыщающей среде приводит к увеличению диффузионной подвижности атомов углерода.
Для борсодержащего сплава, прошедшего предварительную холодную пластическую деформацию, число дислокаций меньше, чем в низкоуглеродистом (рис. 1), наблюдается уменьшение диффузионной подвижности атомов углерода, что приводит к уменьшению градиента концентрации атомов углерода, а, следовательно, к уменьшению глубины бороце-ментованного слоя.
Таблица 1
Результаты расчета коэффициентов диффузии углерода и бора при насыщении поверхности низкоуглеродистого и борсодержащего сплавов, прошедших предварительную обработку
Содержание в сплаве Предварительная Коэффициенты диффузии, см2/с
С, % В, % хол. деф. % Оц О12 О21 О22
0,25 - отожженный 3,64 ■ 10-7 4,09 ■ 10-6 6,07 ■ 10-7 2,56 ■ 10-6
20 5,6 ■ 10-6 7,5 ■ 10-5 8,33 ■ 10-7 3,09 ■ 10-6
0,25 0,0035 отожженный 8,67 ■ 10-6 2,5 ■ 10-7 2,33 ■ 10-6 8,09 ■ 10-6
20 1,4 ■ 10-7 2,3 ■ 10-6 1,42 ■ 10-7 2,6 ■ 10-7
Результаты расчета (табл. 1) показали, что наибольший вклад диффузии углерода по дефектам структуры в суммарный поток диффузии наблюдается при степени деформации 20 %. Увеличение степени предварительной деформации, с одной стороны, должно приводить к увеличению дефектов структуры, а, следовательно, к увеличению диффузионного процесса, а с другой стороны существует оптимальная степень деформации, инициирующая диффузионный процесс. На основе анализа тонкокристаллического строения низкоуглеродистой стали, представленного в работах [9, 10], установлено, что после достижения определенного значения степени пластической деформации в относительно равном распределении дислокаций появляются признаки их немонотонного распределения. Увеличение числа дислокаций приводит к возникновению их криволинейных фрагментов. По всей видимости, дефектная структура, возникающая в результате предварительной холодной пластической деформации в борсодержащем сплаве, менее устойчива в результате нагрева.
При одновременном насыщении бором и углеродом в среде, содержащей карбид бора, наблюдается увеличение глубины диффузионной зоны в 2...2,2 раза по сравнению с цементованным слоем. Предварительная холодная пластическая деформация низкоуглеродистого сплава, проведенная при степени деформации 20 %, также способствует увеличению глубины диффузионной зоны на 25 %.
На основании проведенных исследований разработан способ бороцементации, который позволяет получать более качественные, однородные бороцементованные слои большей толщины, упрочненные дисперсными борокар-бидами.
Выводы
1. На основании расчетных и экспериментальных данных показано, что оптимальная степень предварительной холодной пластической деформации, при которой эффективный коэффициент диффузии углерода имеет максимальное значение, соответствует 20 %. При этом глубина диффузионной зоны увеличивается на 25 %. Для борсодержащего сплава наличие предварительной пластической деформации уменьшает коэффициент диффузии углерода и бора.
2. Показано, что в борсодержащем сплаве процесс насыщения поверхности одновременно углеродом и бором более эффективен в отожженном состоянии. Из расчетных и экспери-
ментальных данных следует, что предварительная холодная пластическая деформация уменьшает диффузионную подвижность углерода.
3. Результаты расчета коэффициентов диффузии углерода и бора в низкоуглеродистом сплаве показывают, что присутствие бора в насыщающей среде или в сплаве увеличивает диффузионную подвижность углерода.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Влияние предварительной холодной деформации на цементацию стали [Текст] / Ю. М. Лах-тин [и др.] // Металловед. и термич. обработка металлов. - 1971. - № 12. - С. 22-26.
2. Кидин, И. Н. Влияние предварительной холодной пластической деформации на диффузию углерода в аустените [Текст] / И. Н. Кидин, Г. В. Щербединский, В. И. Андрюшечкин // Металловед. и термич. обработка. - 1981. -№ 12. - С. 26-28.
3. А. с. СССР № 1352979, кл. С 23 С8/06 [Текст], 1985.
4. Филоненко, Н. Ю. Корисна модель № 38192 С23С 8/06 [Текст] от 25.12.2008 / Н. Ю. Филоненко, И. М. Спиридонова, С. Б. Пиляева. -Бюл. № 24.
5. Твердохлебова, С. В. Спектральный анализ бор-содержащих сплавов [Текст] / С. В. Твердохле-бова, И. М. Спиридонова, А. М. Бондаренко // Заводская лаборатория. - 1990. - № 11. -С. 46-49.
6. Криштал, М. А. Многокомпонентная диффузия в металлах [Текст] / М. А. Криштал, А. И. Волков. - М.: Металлургия, 1985. - 175 с.
7. Любов, Б. Я. Диффузионные процессы в неоднородных твердых средах [Текст] / Б. Я. Любов. - М.: Наука, 1981. - 295 с.
8. Акимов, Е. Н. Решение задач многокомпонентной диффузии с помощью параллельного алгоритма матричной прогонки [Текст] / Е. Н. Акимов, И. И. .Горбачев, В. В. Попов // Математическое моделирование. - 2005. - т. 17, № 9. -С. 85-92.
9. Трефилов, В. И. Изменение ячеистой дислокационной структуры и упрочнение при пластической деформации ОЦК металлов [Текст] /
B. И. Трефилов, В. Ф. Моисеев, Э. П. Печков-ский // Докл. АН УССР. - 1985. - № 11. -
C. 81-84.
10. Большаков, В. И. Термическое упрочнение и контролируемая прокатка строительных сталей [Текст] / В. И. Большаков. - К.: УМКВО, 1991. - 435 с.
11. Holt, D. L. Dislocation cell formation in metals [Text] / D. L. Holt // J. Appl. Phys. - 1970. -v. 41. - P. 3197-3202.
Поступила в редколлегию 01.06.2010.
Принята к печати 18.06.2010.
