CC BY
37
УДК 669.14.018.298/781
И. М. СПИРИДОНОВА, Н. Ю. ФИЛОНЕНКО, С. Б. ПИЛЯЕВА (ДНУ, Днепропетровск)
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ ХОЛОДНОЙ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ НА ДИФФУЗИЮ УГЛЕРОДА И БОРА В БОРСОДЕРЖАЩИХ СПЛАВАХ НА ЖЕЛЕЗНОЙ ОСНОВЕ
В робот! дослвджували вплив попередньо! холодно! деформацп на процес дифузи вуглецю i бору в бор-мютячому сплавi на основi залiза. Встановлено, що попередня холодна пластична деформация бормiстячого сплаву зменшуе дифузiйну рухливють бору та вуглецю при насиченш поверхнi.
В работе исследовали влияние предварительной холодной деформации на процесс диффузии углерода и бора в борсодержащем сплаве на основе железа. Установлено, что предварительная холодная пластическая деформация борсодержащего сплава уменьшает диффузионную подвижность бора и углерода при насыщении поверхности.
In the article the influence of preliminary cold deformation on the process of diffusion of carbon and boron in the boron-containing alloy on the basis of iron was explored. The preliminary cold plastic deformation of boron-containing alloy decreases boron and carbon diffusion mobility under surface saturation.
Диффузия относится к структурно чувствительным процессам, скорость которых зависит от предварительной обработки. Литературные данные о влиянии предварительной пластической холодной деформации на диффузионную подвижность углерода противоречивы. В работах [1, 2] указывают на уменьшение диффузионной подвижности углерода после предварительной холодной деформации, в других [3, 4] результаты исследований показывают об ускоряющем действии деформации на формирование диффузионной зоны. Известно также, что присутствие бора в сталях и в средах для цементации способствует ускорению процессов науглераживания [5]. В то же время влияние предварительной холодной пластической деформации на диффузию бора и углерода в бор-содержащих сталях изучена недостаточно.
В связи с этим в данной работе исследовали влияние предварительной холодной деформации на диффузию углерода и бора в борсодер-жащем сплаве.
Исследование проводили на образцах со следующим составом: углерода 0,25 %, бора 0,002... 0,0035 %. Предварительную обработку исследуемых сплавов осуществляли следующим образом:
- отжиг при температуре 900 °С в течение 5 часов;
- деформация сжатия при температуре 25 °С со степенью деформации 7.40 %;
После предварительной обработки насыщали поверхность образцов углеродом в течение 8 часов при температуре + 850, 950 °С в твердом карбюризаторе.
Структуру и свойства диффузионных зон исследовали методами металлографического, послойного спектрального, дюраметрического и рентгеноструктурного анализов.
Микроструктура цементационного слоя для борсодержащего сплава, прошедшего предварительную холодную пластическую деформацию, имеет традиционный характер. На рис. 1 представлено распределение концентрации углерода по глубине цементационного слоя от степени предварительной холодной пластической деформации для борсодержащего сплава.
а
□ 8 О" 0 6
Рис. 1. Распределение концентрации углерода по глубине диффузионной зоны от степени предварительной холодной пластической деформации в борсодержащем сплаве
Как видно из рис. 1, глубина диффузионной зоны уменьшается в результате предварительной деформации.
На рис. 2 представлены результаты измерения микротвердости перлитной составляющей зоны диффузии углерода для борсодержащего
сплава, для деформированного и отожженного состояния.
б
При цементации концентрация диффундирующего вещества изменяется по закону [6]:
го с
300
250
2 ^ с(х, т) =-Г | Ф
2~/Вх
(
'„2 Л
1/2
т --
4Вц2
йц, (1)
Ь/с1 20% 40%
е, %
Рис. 2. Зависимость микротвердости цементационного слоя от степени предварительной деформации
Как видно из рис. 2, микротвердость цементационного слоя борсодержащего сплава увеличивается с увеличением степени деформации.
где Ф( т) - концентрация на поверхности как функция времени; ц — переменная интегрирования, к - глубина цементационного слоя, В -коэффициент диффузии углерода, т — время цементации.
Зная концентрацию углерода на поверхности после цементации и в объеме образца, время цементации, глубину диффузионной зоны, проведен расчет коэффициента диффузии по соотношению (1) и энергии активации углерода (табл. 1).
Таблица 1
Результаты рассчета коэффициента диффузии и энергии активации углерода
Состав сплава Вид предварит. т/о % (степень 6-103, ккал/г-атом В-10"7, см/с2
С, % В, % деформации)
Отожжен. 0 29,353 6,06
0,25 0,0035 деформ 20 33,239 4,91
деформ 40 35,938 3,29
Как видно из результатов, приведенных в табл. 1, предварительная холодная деформация приводит к уменьшению величины коэффициента диффузии углерода при цементации бор-содержащего сплава.
На рис. 3 представлена микроструктура бор-содержащего сплава после насыщения поверхности бором.
При насыщении бором борсодержащего сплава на поверхности образуется борирован-ный слой, а под ним слой, содержащий перлитную структуру (рис. 3б, в).
В зоне под боридным слоем наблюдали увеличение размеров зерна перлита по сравнению с величиной зерна перлита в объеме образца. Кроме того, с увеличением степени деформации борсодержащего сплава наблюдалось уменьшение глубины борированного слоя и толщины перлитной зоны по сравнению с предварительно отожженным состоянием (табл. 2).
Результаты влияния предварительной деформации на глубину диффузионной зоны приведены в табл. 2.
а)
б)
в)
Рис. 3. Микроструктура поверхностной зоны борсодержащего сплава: а) исходное состояние, б) после насыщения поверхности отожженного сплава, в) после насыщения поверхности предварительно деформированного сплава со степенью 20 % х125
200
Таблица 2
Зависимость глубины диффузионной зоны от степени предварительной деформации
Содержание Предварительная хол. деф. % Величина диффузионной зоны бора
С, % В, % боридов полная
0,2 0,0035 - 155,2 1237,8
0,2 0,0035 20 116,3 1071,2
0,2 0,0035 40 87,3 925,3
Под боридным слоем в сплаве наблюдали мелкодисперсные включения борцементита Бе3(СБ), преимущественно по границам зерен.
Предварительная холодная пластическая деформация приводит к уменьшению размеров перлитного зерна под борированным слоем (рис. 4а).
б
I
5 1000 -
е, %
е, %
а
300
200
100
0
750
Ь/о
20%
20%
Рис. 4. Влияние предварительной обработки в борсодержащем сплаве на: а) размер зерна перлита, б) глубину перлитной зоны
На основании экспериментальных данных по распределению содержания бора по глубине диффузионной зоны, полученных с помощью метода послойного спектрального
анализа, был осуществлен расчет эффективного коэффициента диффузии бора.
В табл. 3 представлены результаты расчета эффективного коэффициента диффузии бора.
Таблица 3
Результаты расчета эффективного коэффициента диффузии бора
Состав сплава Вид предварит. т/о % (степень деформации) Д^-Ю"5, см/с2
С, % В, %
Отожжен. 0 7,1
0,25 0,0035 деформ 20 5,2
деформ 40 4,5
Процесс насыщения поверхности является диффузионным процессом, скорость которого зависит от условий предварительной обработки. В борсодержащем сплаве (рис. 1, табл. 1), при насыщении поверхности углеродом наличие предварительной холодной деформации уменьшает глубину диффузионной зоны и коэффициент диффузии углерода по сравнению с отожженным состоянием. Увеличение степени деформации приводит к уменьшению величины зоны диффузии углерода.
В результате насыщения одновременно бором и углеродом борсодержащего сплава на поверхности образуется не только боридный
слой, но и подслой, содержащий перлитную составляющую. В отожженном сплаве наблюдали увеличение величины зерна перлита по сравнению со сплавами прошедшими предварительную холодную пластическую деформацию. Известно, что бор сдвигает точку эвтектоидного превращения влево [6], приводит к увеличению зерна аустенита [7], увеличивает активность углерода [8], способствуя увеличению коэффициента диффузии углерода. Бор является горо-фильным элементом. В результате насыщения поверхности отожженного борсодержащего сплава одновременно бором и углеродом бор будет преимущественно диффундировать по
границам зерен. В отожженном сплаве, микролегированном бором, в результате насыщения бором и углеродом преобладает зерногранич-ная диффузия бора.
Как видно из табл. 3, в сплаве, содержащем бор, прошедшем предварительную холодную пластическую деформацию, наблюдали уменьшение глубины боридного слоя и размеров перлитной зоны. Наличие предварительной холодной пластической деформации изменяет механизм насыщения поверхности углеродом бор-содержащего сплава. В сплаве, прошедшем предварительную холодную пластическую деформацию, бор будет диффундировать не только по границам зерен, но и по объему зерна. При этом бор насыщает неоднородности структуры, возникающие в объеме зерна в результате предварительной холодной пластической деформации, что приводит к уменьшению эффективного коэффициента диффузии бора.
Выводы
1. Предварительная холодная пластическая деформация уменьшает интенсивность процесса насыщения углеродом борсодержащего сплава.
2. В сплавах, содержащих бор, не прошедших предварительную холодную пластическую деформацию, процесс насыщения поверхности углеродом и бором происходит более интенсивно.
3. Предварительная холодная пластическая деформация борсодержащего сплава уменьшает диффузионную подвижность бора при насыщении поверхности бором и углеродом.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Матосян, М. А. Влияние микродефектов на диффузию атомов внедрения [Текст] / М. А. Матосян, В. Т. Борисов, В. М. Голиков // Физика металлов и металловед. - 1970. - Т. 29, Вып. 4. - С. 824.
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. обработ. - 1981. -№ 12. - С. 26.
3. Диффузия углерода в аустенитной стали, полученной динамическим горячим прессованием [Текст] / П. Л. Грузин и др. // Физика металлов и металловед. - 1971. - Т. 29, Вып. 3. -С. 668-671.
4. Лахтин, Ю. М. Влияние предварительной холодной деформации на цементацию стали [Текст] / Ю. М. Лахтин, В. Д. Кальнер,
B. К. Седуков, Т. А Смирнова // Металловедение и термич. обработка. - 1971. - № 12. -
C. 22-25.
5. Авторское свидетельство СССР № 1352979, кл. С 23 С8/06, 1985 [Текст].
6. Гудермон Э. Специальные стали [Текст] / Э. Гу-дермон. - М.: Металлургиздат, 1959. - Т. 2. -1638 с.
7. Гольдштейн, Я. Г. Низколегированные стали в машиностроении [Текст] /Я. Г. Гольдштейн. -М., 1963. - С. 239.
8. Криштал, М. А. Механизм диффузии в железных сплавах [Текст] / М. А. Криштал. - М.: Металлургия, 1972. - 399 с.
Поступила в редколлегию 24.06.2008.
