CC BY
2405.16.09 - Материаловедение (по отраслям) (технические науки) DOI: 10.257127ASTU.2072-8921.2020.04.025 УДК 621.793.6
МЕХАНИЗМ ФОРМИРОВАНИЯ ДИФФУЗИОННОГО СЛОЯ ПРИ БОРИРОВАНИИ ИЗНОСОСТОЙКОГО ЧУГУНА ЧХ28
В. И. Мосоров, У. Л. Мишигдоржийн, Б. Д. Лыгденов, О. 3. Галаа,
Баяраа Жавхалан
В работе представлены результаты исследования механизма формирования диффузионного слоя при борировании износостойкого чугуна. Металлографический анализ микроструктуры показал, что на поверхности сформировался диффузионный боридный слой толщиной 45-50 мкм. Слой имеет характерное для боридов игольчатое строение, достаточно компактное, без разветвлений концов боридных игл. На небольшую толщину слоя влияет высокое содержание хрома (25-30 %) в чугуне, который препятствует диффузионным процессам. Необходимо отметить отсутствие графитной прослойки, образование которой характерно для химико-термической обработки чугунов. Дюрометрические исследования показали, что максимальная микротвердость составляет 21000 МПа, с постепенным снижением до значений 9500-9700 МПа в сердцевине. Отсутствие резкого перепада значений микротвердости до сердцевины чугуна указывает на наличие переходной зоны после боридного слоя. Переходная зона основного материала имеет преимущественно пер-литно-цементитную структуру. Известно, что легирующие элементы препятствуют диффузионному процессу с точки зрения формирования слоев большой толщины. Но влияние хрома (Сг) на фазовый состав однозначно имеет положительный эффект. Хром уменьшает долю высокобористой фазы FeB в диффузионном слое, повышая пластичность боридного покрытия и коэффициент трения диффузионного слоя, увеличивая ресурс эксплуатации упрочненных изделий.
Ключевые слова: борирование, износостойкий чугун, микроструктура, микротвердость, карбид бора.
ВВЕДЕНИЕ
Железоуглеродистые сплавы нашли широкое применение в современном машиностроительном производстве. Детали машин и инструмент подвергаются при эксплуатации разным видам износа. В процессе эксплуатации наиболее интенсивно подвергаются температурно-силовым воздействиям поверхностные слои деталей машин и инструмента, поэтому структура и свойства поверхностных слоев оказывает важное влияние на их работоспособность.
Коррозионностойкие высокохромистые чугуны обладают высокой стойкостью к коррозии в условиях агрессивных сред, а также высокой износостойкостью. Поэтому их используют для производства деталей, работающих в агрессивных средах в сочетании с износом различного характера. Так как данные чугуны относятся к высоколегированным,
содержащим большое количество легирующих элементов, основным из которых является хром, то они также относятся к дорогостоящим материалам [1-4].
Хромистые износостойкие чугуны являются перспективным конструкционным материалом, обладающим высокими антикоррозионными и износостойкими свойствами, позволяющими работать в условиях интенсивного гидроабразивного износа [5]. В настоящей работе приведены исследования механизма формирования диффузионного слоя при борировании износостойкого чугуна в порошковой смеси.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Исследования проводились на образцах из хромистого чугуна ЧХ28. Химический состав чугуна приведен в таблице 1.
Таблица 1 - Химический состав хромистого чугуна ЧХ28 по ГОСТ 7769-82
С Si Мп S Р Сг
0,5-1,6 0,5-1,5 до 1,0 до 0,08 до 0,1 25,0-30,0
Борирование проводили в порошковой смеси на основе карбида бора (В4С) и в качестве активатора применяли тетрафторо-борат калия (КВF4). Температура нагрева и выдержки - 950 °С в течение 3 ч.
Металлографический анализ проводили на оптическом металлографическом микроскопе «Neophot-21». Измерение микротвердости проводили вдавливанием алмазных наконечников ГОСТ 9450-76 (СТ СЭВ 1195-78)
на микротвердомере «ПМТ-3». Элементный состав исследовали на растровом электронном микроскопе JEOL-JSM-6510LV с микроанализатором «INCA Energy 350, Oxfordlnstru-ments» в Центре коллективного пользования «Прогресс» ФГБОУ ВО ВСГУТУ. Фазовый состав диффузионного слоя определяли на рентгеновском дифрактометре «Bruker D8» в медном излучении с интервалом съемки 15...95
а)
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Металлографический анализ микроструктуры показал, что на поверхности сформировался диффузионный боридный слой толщиной 45-50 мкм. Слой имеет характерное, для боридов, игольчатое строение, достаточно компактное, без разветвлений концов боридных игл (рисунок 1). На небольшую толщину слоя влияет высокое содержание хрома (25-30 %) в чугуне, который препятствует диффузионным процессам.
б)
Рисунок 1 - Микроструктура диффузионного слоя на чугуне ЧХ28; температура насыщения - 950 °С; время выдержки - 3 часа
Необходимо отметить отсутствие графитной прослойки, образование которой характерно для химико-термической обработки чугунов [6-12].
Дюрометрические исследования показали, что максимальная микротвердость составляет 21000 МПа, с постепенным сниже-
нием до значений 9500-9700 МПа, в сердцевине (рисунок 2). Отсутствие резкого перепада значений микротвердости до сердцевины чугуна указывает на наличие переходной зоны после боридного слоя. Переходная зона основного материала имеет преимущественно перлитно-цементитную структуру.
20 40 60 80 100120140160
S, мкм
Рисунок 2 - Микроструктура износостойкого чугуна после борирования с отпечатками алмазного индентора и график изменения микротвердости в зависимости от расстояния до поверхности образца
^оомкт 1 Эле кто о нное из о С р задние 1
Рисунок 3 - Участок поверхности чугуна с точками набора спектров, полученные на растровом электронном микроскопе
Таблица 2 - Элементный состав борированного слоя на чугуне ЧХ28 (все результаты в весовых %)
Спектр В С Si Сг Fe Итог
Спектр по линии (1) 42,90 - 0,07 14,37 42,66 100,0
Спектр по линии (2) - 12,76 1,31 17,04 68,89 100,0
Спектр по линии (3) - 18,63 1,02 29,09 51,26 100,0
Спектр по линии (4) - 13,55 1,75 20,52 64,19 100,0
Спектр по линии (5) - 16,15 1,61 23,68 58,55 100,0
Рентгеноспектральный анализ показал (рисунок 3, таблица 2), что элементный состав по линиям спектра вполне соответствуют общепринятому восприятию диффузионных процессов в железоуглеродистых сплавах с легирующими элементами.
Учитывая химический состав чугуна, следует обратить внимание на возможность образования, помимо FeB и Fe2B, боридов хрома (СгВ), различных карбоборидов Feз(C,B); Fe2з(C,B). Формирование переходной зоны - это результат диффузии бора и вытеснения углерода с поверхности чугуна, соответственно, по мере удаления от поверхности фазовый состав переходной зоны изменяется. Распределение вновь образующихся карбоборидов в структуре материала неоднородно (относится ко всем железоуг-
леродистым сплавам). Также немаловажное значение в формировании диффузионного слоя играет высокое содержание хрома в составе чугуна. Хром взаимодействует с углеродом (СгС), с бором (СгВ) и образует сложный карбоборид (Сг7ВС4) (рисунок 4).
Соотношение бора и углерода в образующихся карбоборидах контролируется не только скоростью подвода этих элементов к локальному месту фазообразования. Важную роль играют здесь также другой фактор. Это зависимость максимальной энергии образования карбоборидов от соотношения Св/Сс (где Св и Сс - концентрация атомов бора и углерода), поскольку энергия взаимодействия атомов железа с атомами бора значительно выше, чем атомов железа с атомами углерода [13-17].
Рисунок 4 - Градуированная характеристика спектров и концентрация фаз
Известно, что легирующие элементы препятствуют диффузионному процессу с точки зрения формирования слоев большой толщины. Но, влияние хрома (Cr) на фазовый состав однозначно имеет положительный эффект. Хром уменьшает долю высокобори-стой фазы FeB в диффузионном слое, повышая пластичность боридного покрытия и коэффициент трения диффузионного слоя, увеличивая ресурс эксплуатации упрочненных изделий [18-21]. Согласно данным дю-рометрических исследований, диффузионное борирование чугуна, работающего в условиях гидроабразивного износа, показало, что износостойкость поверхности качественно повышается (вывод основан на результатах многолетних исследований авторов). Для количественного анализа необходимы производственные испытания.
Работа выполнена в рамках Государственного задания № 0336-2014-0001.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ворошнин, Л. Г. Борирование промышленных сталей и чугунов // Л. Г. Ворошнин. - Минск : Машиностроение, 1981. - 205 с.
2. Химико-термическая обработка металлов и сплавов : справочник / Под ред. Л. С. Ляховича. - М.: Металлургия, 1981. - 424 с.
3. Sinha, A. K. ASM Handbook - Heat Treating. ASM International, 1991. - Vol. 4. - Р. 437-446.
4. Гурьев, А. М. Химико-термическая обработка литой стали / А. М. Гурьев, Б. Д. Лыгденов,
Д. М. Махаров, В. И. Мосоров // Ползуновский вестник. - 2005. - № 2 - С. 113-115.
5. Трухин, В. В. Исследование зависмости обрабатываемости от твердости и микротвердости износостойкости чугунов / В. В. Трухин, Л. П. Ко-роткова // Вестник КСТУ. - 2003. - № 2. - С. 42-44.
6. Azouani, O. Characterization of boride coatings on a ductile cast iron / O. Azouani, M. Keddam, O. Allaoui, A. Sehisseh // Protection of Metals and Physical Chemistry of Surfaces. - 2017. - 53. - Р. 306-311. -https://doi.org/10.1134/S207020511702006X.
7. Мосоров, В. И. Упрочнение поверхности литой стали комплексным диффузионным насыщением бором и хромом / В. И. Мосоров, А. М. Гурьев, Б. Д. Лыгденов, Д. С. Фильчаков // Обработка металлов. - 2011. - № 5 - С. 33-36.
8. Гурьев, А. М. Физические основы химико-термоциклической обработки сталей / А. М. Гурьев, Б. Д. Лыгденов, Н. А. Попова, Э. В. Козлов. -Барнаул, 2008. - 250 с.
9. Лыгденов, Б. Д. Перспективные диффузионные покрытия / Б. Д. Лыгденов, А. М. Гурьев,
B. И. Мосоров, В. А. Бутуханов // Raleigh, North Carolina. - 2015. - 131 с.
10.Гурьев, А. М. Борирование малоуглеродистой стали / А. М. Гурьев, Б. Д. Лыгденов, М. А. Гурьев, М. Шунчи, О. А. Власова // Raleigh. - 2015. -141 с.
11.Иванов, С. Г. Исследование микроструктуры диффузионных покрытий на чугуне ЧМН-35М, полученных химико-термической обработкой /
C. Г. Иванов, А. М. Гурьев, А. М. Марков, М. А. Гурьев, А. В. Габец, Д. А. Габец // Фундаментальные проблемы современного материаловедения. -2016. - Т. 13. - № 4. - С. 497-500.
12.Гурьев, А. М. Циклическое тепловое воздействие при термической и химико-термической
обработке инструментальных сталей / А. М. Гурьев, Л. Г. Ворошнин, Ю. П. Хараев, Б. Д. Лыгденов, Е. В. Черных // Фундаментальные проблемы современного материаловедения. - 2005. - Т. 2. -№ 3. - С. 37-45.
13.Гармаева, И. А. Сравнительное исследование насыщающей способности борирующих сред различного состава / И. А. Гармаева, А. М. Гурьев, Т. Г. Иванова, М. А. Гурьев, С. Г. Иванов // Письма о материалах. - 2016. - Т. 6. - № 4 (24). - С. 262-265.
14.Способ изготовления и упрочнения деталей из чугунов и сталей / А. М. Гурьев, С. Г. Иванов, М. А. Гурьев, С. А. Земляков, А. Д. Грешилов, А. Г. Иванов. - Патент на изобретение RU2440869C1, 27.01.2012. - Заявка № 2010145915/02 от 10.11.2010.
15.Иванов, С. Г. Диффузионные покрытия на сером чугуне, полученные борированием и комплексным насыщением бором, хромом и титаном ; в сборнике : Проблемы механики современных машин / С. Г. Иванов, Т. Г. Иванова, М. А. Гурьев, С. Ч. Хэ, Лянь Ц. Ян // Материалы VII Международной научной конференции. - 2018. - С. 302-307.
16.Гурьев, М. А. Износостойкий высокохромистый чугун, легированный медью / М. А. Гурьев, С. Г. Иванов, С. А. Земляков, А. М. Гурьев // Пол-зуновский альманах. - 2019. - № 3. - С. 136-138.
17.Гурьев, М. А. Структура и свойства многокомпонентных диффузионных покрытий на сером чугуне СЧ 25 / М. А. Гурьев, А. И. Аугсткалн, А. М. Гурьев, С. Г. Иванов // Фундаментальные проблемы современного материаловедения. -2020. - Т. 17. - № 1. - С. 26-31.
18.Гурьев, М. А. Разработка состава смеси для поверхностного легирования отливок из серых чугунов / М. А. Гурьев, А. И. Аугсткалн, А. М. Гурьев, С. Г. Иванов // Фундаментальные проблемы современного материаловедения. - 2020. - Т. 17. -№ 3. - С. 368-372.
19.Интенсификация процессов формирования структуры диффузионного слоя при химико-термической обработке сталей / Б. Д. Лыгденов
дис... на соискание ученой степени доктора технических наук / ГОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет». - Барнаул, 2009. - 355 с.
20.Гурьев, А. М. Диффузионное борирование -перспективное направление в поверхностном упрочнении изделий из стали и сплавов / А. М. Гурьев, А. Д. Грешилов, Б. Д. Лыгденов // Ползуновский альманах. - 2010. - № 1. - С. 80-88.
21.Гурьев, М. А. Перспективные методы получения упрочняющих покрытий / М. А. Гурьев, Е. А. Кошелева, А. М. Гурьев, Б. Д. Лыгденов, О. Галаа. - Изд-во АлтГТУ, 2016. - 182с.
Мосоров Владимир Иванович, к.т.н., доцент, зав. кафедрой «Металловедение и технологии обработки материалов» Восточно-Сибирского государственного университета технологий и управления, e-mail: lygdenov59@mail.ru.
Мишигдоржийн Ундрах Лхагвасуре-нович, к.т.н., с.н.с. Институт физического материаловедения Сибирского отделения РАН, e-mail: lygdenov59@mail.ru.
Лыгденов Бурьял Дондокович, д.т.н., профессор Уханьского Текстильного Университета, Китай, e-mail: lygdenov59 @mail.ru.
Галаа Омонцоо, к.т.н., зав. кафедрой «(Машиностроение» Монгольского государственного университета науки и технологии, г. Улан-Батор, Монголия, e-mail: lygde-nov59@mail.ru.
Жавхалан Баяраа (Javkhalan Bajaraa), преподаватель кафедры «(Машиностроение» Монгольского государственного университета науки и технологии, г. Улан-Батор, Монголия, e-mail: lygdenov59 @mail.ru.
