CC BY
53
УДК 621.74.002.6
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ КАРБИДА БОРА НА СОСТАВ И СТРУКТУРУ ЛЕГИРОВАННЫХ ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ СТАЛЬНЫХ ОТЛИВОК ПРИ ЛГМ
ДЕМЕНТЬЕВ В.Б., ОВЧАРЕНКО П.Г., ЛЕЩЕВ А.Ю., *ВОРОБЬЕВ В.Л.
Институт механики УрО РАН, 426067, г. Ижевск, ул. Т. Барамзиной, 34 *Физико-технический институт УрО РАН, 426000, г. Ижевск, ул. Кирова, 132
АННОТАЦИЯ. В работе представлены исследования поверхности отливок из сталей 10, 45 и У8, легированных карбидом бора. Определен фазовый и химический состав, проведены металлографические исследования.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: поверхностное легирование, карбид бора, литье по газифицируемым моделям. ВВЕДЕНИЕ
Упрочнение поверхностей деталей машин, обеспечение повышенных механических и служебных свойств является одним из определяющих факторов их долговечности и надежности. Для повышения эксплуатационных характеристик литых деталей применяют различные технологии — объемное легирование [1], модифицирование [2] и др., однако одним из наиболее эффективных способов является литье по газифицируемым моделям (ЛГМ). ЛГМ позволяет получать отливки высокой точности из различных материалов и сплавов [3], а применение поверхностного легирования, в сочетании с ЛГМ, способно повысить эксплуатационные свойства рабочих поверхностей отливок на заданную глубину [4, 5], не снижая физико-механических свойств основного металла.
В работе представлены результаты исследований легированных карбидом бора поверхностных слоев стальных отливок, изготовленных методом ЛГМ, для формирования износостойкого слоя, обладающего повышенной твердостью.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Для получения отливок с поверхностным легированным слоем использовались квадратные модели из пенополистирола размерами 50*50*50, на одну из сторон которых нанесен слой пасты, содержащей карбид бора. Для приготовления пасты порошок карбида бора фракцией 0,1 мм смешивали с клеевым составом, после чего наносили ее на поверхность модели. Далее производилась сушка легирующего покрытия, после чего модели собирали в модельные блоки, приклеивали литниково-питающую систему и окрашивали их антипригарным покрытием. Готовые модельные блоки помещали в опоку, засыпали несвязанным формовочным материалом, герметизировали, вакуумировали и заливали железоуглеродистым расплавом. В качестве материала основы выбраны три марки стали - 10, 45 и У8, имеющие различное содержание углерода. После заливки модельных блоков их выдерживали в опоке в течение 15 минут, для наиболее полного насыщения поверхности отливок легирующими элементами из покрытия, после чего производилась их выбивка (отливки извлекались из опоки, когда их температура составляла менее 700 °С). От полученных отливок на электроэрозионном станке вырезаны сегменты для проведения фазового, химического анализа и металлографических исследований.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
По результатам химического анализа (табл. 1) видно, что химический состав легированного поверхностного слоя и сердцевины отливок различаются, при этом, поверхностный слой обогащается бором и углеродом, что свидетельствует о протекании процессов диффузионного насыщения.
Таблица 1
Химический состав полученных отливок
Марка стали Место исследования Химический состав, % масс.
С В* & Мп А1 Сг
Сталь 10 Легированная поверхность 1,55 2,25 0,12 0,41 0,11 0,2
Основа 0,21 - 0,09 0,38 0,09 0,19
Ст45 Легированная поверхность 1,51 1,1 0,11 0,44 0,08 0,15
Основа 0,48 - 0,1 0,42 0,08 0,15
Сталь У8 Легированная поверхность 1,52 0,9 0,14 0,42 0,12 0,17
Основа 0,86 - 0,1 0,4 0,11 0,15
* - определение бора в поверхностных слоях отливок проводилось методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФЭС) на спектрометре ЭС-2401, с использованием MgКa-излучения (1253,6 эВ).
Фазовый анализ легированных поверхностей отлитых образцов (рис. 1) показал наличие в них карбидов бора, железа и боридов железа. Данные фазы обладают высокой твердостью, что приводит к увеличению общей твердости легированных поверхностей, по сравнению с основным металлом.
Рис. 1. Дифрактограмма поверхности литого образца из стали У8, легированного карбидом бора
Процессы диффузионного насыщения и физико-химического взаимодействия начинают протекать непосредственно при заливке моделей, когда обеспечивается контакт легирующего покрытия с жидким металлом. Проведя расчеты равновесия карбида бора с жидкими расплавами на основе железа методом комбинирования [6], при температурах заливки 1500 ^ 1600 °С, карбид бора диссоциирует на элементы (бор и углерод), которые в свою очередь взаимодействуют с расплавом. Данное взаимодействие проявляется в начальный момент в частичном растворении легирующего покрытия в расплаве, а последующее насыщение приводит к образованию в поверхностном слое новых фаз -карбидов и боридов. Углерод из карбида бора, взаимодействуя с расплавом, растворяется в нем, что приводит к увеличению содержания углерода в металле, а дальнейшее насыщение способствует образованию карбидов железа. Подобным образом происходит и насыщение бором.
При последующей кристаллизации отливок до температур 800-850 °С, протекают процессы диффузионного насыщения поверхностного слоя слитка элементами легирующего покрытия [7], что также приводит к образованию новых фаз. При температурах ниже 1300 °С в легированном поверхностном слое наряду с карбидами и боридами железа начинают формироваться карбиды бора.
По структуре отливок (рис. 2) четко виден легированный слой, имеющий структурную составляющую, обладающую повышенной твердостью, по сравнению с основным металлом (табл. 2). Именно это дает возможность повышать твердость поверхности отливки без потери пластичности основного металла.
основной металл
.¿И ' - •- Ч * '
шщ ■ лтт
легированный слой
а - Ст10; б - Ст45; в - СтУ8
Рис. 2. Структура отливок, легированных карбидом бора
Таблица 2
Металлографические исследования отлитых образцов, легированных карбидом бора
Марка стали Твердость, НУ (ЖС) и микроструктура сердцевины Твердость, НУ (НКС) и микроструктура легированного хромом поверхностного слоя
Ст. 10 Перлит видманштеттового строения, перлит и феррит по границам зерна № 3-<1; НУ 175-178 (<18 ЖС) Дендритная, двухфазная с ориентацией на сетку: светлотравящаяся фаза с микротвердостью Н50 845-797 (66-64 НЖС), темнотравящаяся фаза с микротвердостью Н50 271-199 (26-<20 НЖС)
Ст. 45 Мартенсит 9 - 10 балла, величина зерна № 4 - 5, карбидная сетка по границам зерна; Н50 442-483 (45-48 ЖС) Микроструктура имеет дендритное строение: основа - светлотравящаяся двухфазная составляющая с микротвердостью Н50 897-714 (67-61 HRC) и расположенная по осям дендритов темно-травящаяся фаза в виде округлых включений (предположительно включения основного металла) с микротвердостью Н50 442-483 (45-48 ЖС)
Ст. У8 Троостит, балл зерна № 4 - 5, Н50 323-271 (33-26 ЖС) Микроструктура имеет дендритное строение: основа - светлотравящаяся двухфазная составляющая с микротвердостью Н50 897-714 (67-61 HRC) и расположенная по осям дендритов темнотравящаяся фаза с микротвердостью НУ5 566-593 (51,5-53 ЖС)
Повышенная твердость легированного поверхностного слоя отливок обусловлена наличием в нем карбидной и боридной фаз, что напрямую является результатом взаимодействия покрытия на основе карбида бора с расплавом, как в момент заливки, так и при последующей кристаллизации слитков до температур 800-850 °С.
Содержание углерода в исходных металлических расплавах влияет на глубину легированного слоя (табл. 3), при этом не оказывает существенное влияние на его фазовый состав. В первую очередь данное влияние проявляется в том, что увеличение содержания углерода в расплаве приводит к снижению содержания бора в легированном слое, углерод препятствует диффузии бора, что приводит к уменьшению общей глубины легированного
слоя в отливках. Наиболее существенное уменьшение глубины легированного слоя наблюдается у отливок из стали 45, по сравнению с отливками из стали 10; дальнейшее увеличение содержания углерода в расплаве (сталь У8) оказывает влияние на глубину слоя в меньшей степени.
Таблица 3
Глубина легированного слоя в отливках
Марка стали Глубина, мм
Сталь 10 1,8 - 2,0
Сталь 45 1,0 - 1,2
Сталь У8 0,9 - 1,1
Необходимо отметить, что глубина легированного поверхностного слоя на отливках при ЛГМ оказывается выше глубины диффузионных слоев, сформированных методами химико-термической и электроискровой обработки [8].
Использование карбида бора в качестве легирующего элемента при ЛГМ позволяет повысить твердость поверхностного слоя, сохраняя пластичность основы непосредственно в процессе получения отливок без дополнительной термической обработки.
ВЫВОДЫ
Проведенные исследования показывают, что карбид бора в качестве легирующего соединения при ЛГМ сталей изменяет структуру и твердость поверхностных слоев, не изменяя их у основного металла. Наличие в легированном слое карбидов железа, бора и боридов железа повышает твердость слоя, формирование которого происходит непосредственно в процессе литья, что дает возможность исключить последующую термическую, химико-термическую и электроискровую обработку отливок. При увеличении содержания углерода в исходном расплаве глубина легированного слоя снижается, при этом не изменяется его фазовый состав.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Лахтин Ю.М. Металловедение и термическая обработка металлов. М. : Металлургия, 1976. 406 с.
2. Крещановский Н.С., Сидоренко М.Ф. Модифицирование стали. М. : Металлургия, 1970. 296 с.
3. Шуляк В.С. Литье по газифицируемым моделям. СПб.: НПО «Профессионал», 2007. 408 с.
4. Шкляров А.Ю., Арутюнова Э.Е., Чекуров В.В. Покрытие для газифицируемых моделей // А.с. № 697244, 1979.
5. Нестеров Н.В., Ермилов А.Г. Способ модифицирования поверхности отливок // Патент РФ № 2391177, 2008. Бюл. 56.
6. Куликов И.С. Термодинамика карбидов и нитридов. Челябинск : Металлургия, 1988. 320 с.
7. Райцес В.Б., Литвин В.М. Химико-термическая обработка деталей. Киев : Техника, 1980. 152 с.
8. Молодык Н.В., Зенкин А.С. Восстановление деталей машин. М.: Машиностроение, 1989. 479 с.
STUDIES OF THE EFFECT OF BORON CARBIDE ON THE COMPOSITION AND STRUCTURE OF DOPED SURFACE LAYERS OF STEEL CASTINGS IN CAST BY THE MODELS
Dementiev V.B., Ovcharenko P.G., Leshchev A.Y., *Vorobiev V.L.
Institute of Mechanics, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, Izhevsk, Russia *Physical-Technical Institute, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, Izhevsk, Russia
SUMMARY. The paper presents the study of the surface of castings from the steel 10, 45 and У8 alloyed with boron carbide. Determined by the phase and chemical composition, carried out metallographic research.
KEYWORDS: alloying, boron carbide, cast in a model of expanded polystyrene.
Дементьев Вячеслав Борисович, доктор технических наук, заместитель директора, заведующий отделом ИМ УрОРАН, тел. (3412) 20-29-25, e-mail: demen@udman.ru
Овчаренко Павел Георгиевич, инженер ИМ УрО РАН
Лещев Андрей Юрьевич, научный сотрудник ИМ УрО РАН
Воробьев Василий Леонидович, кандидат технических наук, научный сотрудник ФТИ УрО РАН
