CC BY
45
УДК 621.762
МЕТОД МОДИФИКАЦИИ ЖИДКОСТНЫМ БОРИРОВАНИЕМ СТАЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ С ЦЕЛЬЮ ПОВЫШЕНИЯ ИХ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ
© 2014 г. Л.В. Шилякин, Д.Н. Веропаха, Н.В. Веропаха
Шилякин Леонид Викторович - гл. технолог ООО «ПК «Новочеркасский электровозостроительный завод». Тел. (8635)29-21-08.
Веропаха Дмитрий Николаевич - канд. техн. наук, доцент, ведущий инженер-технолог ОГТ ООО «ПК «Новочеркасский электровозостроительный завод». Тел. (8635) 29-20-70.
Веропаха Надежда Владимировна - канд. техн. наук, доцент, кафедра «Технология машиностроения, технологические машины и оборудование», Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова. Тел. (8635)25-54-86.
Shilyakin Leonid Viktorovich - main technologist Limited Liablity Company «Production Company «Novocherkassk Locomotive Building Plant». Ph. (8635)29-21-08.
Veropakha Dmitry Nikolaevich - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, leading engineer-technologist Limited Liablity Company «Production Company «Novocherkassk Locomotive Building Plant». Ph. (8635) 29-20-70.
Veropakha Nadezda Vladimirovna - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, department «Technology of Mechanical Engineering, Technological Machines and Equipment», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI). Ph. (8635)25-54-86.
Описан способ модификации поверхности стальных деталей жидкостным низкотемпературным борированием, позволяющий повысить их твердость, износостойкость, коррозионную стойкость и, как следствие, эксплуатационные свойства изделий. Доказано наличие сплошного слоя боридов железа на стали после борирования и указан фазовый состав слоя. Отмечено, что дальнейшее повышение свойств борированной поверхности стали возможно применением поверхностной закалки токами высокой частоты либо обработкой в магнитном поле.
Ключевые слова: низкотемпературное борирование стали; повышение твердости; износостойкость; коррозионная стойкость.
In clause the way of processing of steel in solution of borides by low temperatures. The given processing allows to raise operational properties of steel details: hardness, wear resistance and corrosion stability. Additional processing of products by currents of high frequency and in magnetic field more raise parameters of these properties.
Keywords: low temperatures borides of steel; high hardness; wear resistance; corrosion stability.
Для обеспечения надежности и долговечности работы деталей и изделий и повышения качества продукции актуальна разработка и внедрение в промышленность ресурсосберегающих технологий, позволяющих конструировать требуемые свойства поверхности. Большинство деталей машин и агрегатов, мерительный, вспомогательный и штамповый инструмент, важными эксплуатационными свойствами которых являются высокая твердость и прочность поверхности в сочетании с коррозионной стойкостью, обычно изготавливают из различных типов сталей, большая часть которых низко- или нелегирована. При использовании только собственных свойств этих сталей и с учётом достаточно жёстких условий эксплуатации такие детали и изделия имеют небольшой срок службы. Замена материала деталей на высоколегированную сталь приводит к значительному их удорожанию, но не всегда решает проблему повышения твёр-
дости, износо- и коррозионной стойкости. Часто при эксплуатации изделия иногда достаточно придать требуемые свойства лишь его поверхности, не изменяя внутреннего состава и структуры материала, что не требует значительных затрат.
Одним из путей решения проблемы одновременного повышения твёрдости, прочности, износо- и коррозионной стойкости деталей, изготовленных из сталей 08, 10, 20, 30, 35, 40, 45, У7, У8 и т.п., является модификация их поверхности жидкостным борированием. Согласно данным [1], износостойкость бориро-ванной поверхности превосходит износостойкость немодифицированной поверхности серийных деталей. Закалка стальных деталей после борирования значительно повышает твёрдость и износостойкость поверхности.
Для придания поверхности деталей твёрдости, прочности, износо- и коррозионной стойкости нами
предложен жидкостный способ борирования литых конструкционных и инструментальных сталей с применением, по необходимости, закалки и направленного воздействия магнитных полей. Это позволяет сохранять неизменную вязкую сердцевину и получать на поверхности новые фазы, отличающиеся высокой твердостью и стойкостью к агрессивным средам.
Известно [1], что борирование стали можно осуществлять из газовых, твердых и жидких сред, причем обычная технология борирования предполагает разогрев поверхности деталей до высоких температур (более 950 оС), что обусловливает высокую энергоемкость процесса и возможность окисления поверхности. Нами предложена ресурсосберегающая технология низкотемпературного жидкостного борирования [2], которая заключается в следующем. В подготовленный раствор борсодержащих веществ погружаются предварительно разогретые до температуры 400 оС обезжиренные стальные изделия и выдерживаются в подогреваемом растворе 60 - 120 мин. Затем изделия извлекаются, промываются и быстро высушиваются.
Для получения борсодержащих растворов были приготовлены устойчивые гели на основе буры и борной кислоты с добавлением незначительного количества различных компонентов [3, 4], создающих слабую щелочную среду, необходимую для получения в растворе активного бора, находящегося в ионном состоянии. Полученные таким образом ионы бора обладают лучшей проникающей способностью в кристаллическую решетку стали, что является предпосылкой для создания достаточного по толщине сплошного диффузионного слоя боридов на поверхно-
сти стальных изделий. Толщина слоя может регулироваться временем выдержки деталей в борсодержа-щих растворах и их температурой.
Комбинация требуемых свойств поверхности изделий достигалась за счёт варьирования различных методов её модификации. Так, для формирования на поверхности стали требуемых фаз с направленной структурой, на стадии выдержки деталей в борсодер-жащих растворах их одновременно подвергали воздействию магнитного поля, поместив в магнитный индуктор. Для значительного повышения микротвёрдости поверхности борированные изделия подвергали последующей закалке в индукторах ТВЧ.
Были исследованы механизмы получения борид-ных фаз различного состава в зависимости от состава исходного раствора. Формирование боридного слоя на стальной поверхности описывается следующими процессами. Диффузия активного бора в сталь протекает по вакансиям в кристаллической структуре. В начальный момент образуются твердые растворы бора в железе, например Fe2зB6. Затем, при насыщении решетки железа бором, происходит образование фаз Fe3B и Fe2B. При большем времени выдержки образцов в растворах на основе борной кислоты может сформироваться фаза FeB. Наличие указанных фаз в поверхностном слое обработанной конструкционной стали подтверждено результатами рентгенофазового анализа, представленного на рис. 1. Проведенная позднее ЯГР-спектроскопия также подтвердила присутствие фаз FeB и Fe2B в поверхностном слое конструкционной стали, обработанной в растворе на основе буры. ЯГР-спектры исследуемых образцов приведены на рис. 2.
40 35 30 25 20 15 10 Q, °
а
«о
40 35 30 25 20 15 10 Q, °
б
Рис. 1. Рентгенограммы образцов стали, борированной в растворах: а - на основе буры; б - на основе борной кислоты.
О - a-Fe; Д - Fe23B6; □ - Fe3B; • - Fe2B
Каналы анализаторов 200 400 600 800
X1
о4
^0
о
« 3
<и 6 Н
Ш 11 1
Fe2B
FeB
-6 -4 -2 0 2 4 6 Скорость подачи образца, мм/с
Рис. 2. ЯГР-спектры образцов стали, борированной в растворе на основе буры: I - a-Fe; II - Fe2B; Ш - FeB
Помимо образования боридов, были также исследованы сопутствующие сруктурно-фазовые и химические процессы, протекающие в поверхностном слое стали при её жидкостном борировании. Выявлено, что в процессе борирования конструкционных сталей происходит равномерное распределение легирующих компонентов в подповерхностном слое с одновременной нейтрализацией примесей, имеющихся в стали и приводящих к ее охрупчиванию. В частности, находящийся в конструкционной стали марганец активно растворяется в боридных фазах и скапливается в поверхностном слое, что предотвращает образование его соединений с серой, приводящее к охрупчиванию стали. Имеющийся в стали никель способствует лучшему растворению бора в кристаллической решетке железа и положительно влияет на образование диффузионных боридных слоев.
Известно [1], что углерод в процессе борирования стали вытесняется бором вглубь материала, скапливаясь под боридным слоем. Однако данное утверждение справедливо для высоких температур проведения процесса борирования. Нами были проведены исследования обезуглероживания поверхности литой стали 08 при её обработке низкотемпературным жидкостным борированием [5]. Содержание остаточного углерода в поверхностных слоях стали определяли адсорбционно-газовым методом. Экспериментально установлено, что при проведении модификации поверхности литой стали по разработанной нами технологии полученный боридный слой частично оттесняет углерод с поверхности вглубь материала и, тем самым, создаёт условия для формирования подповерхностного слоя стали с повышенным содержанием углерода, что, вкупе с получением боридных фаз, способствует возрастанию твердости и износостойкости поверхности изделий ещё в большей степени. Так, содержание углерода в необработанной борированием поверхности стали 08 составило в среднем 0,079 % по массе, тогда как в поверхностном слое стали, бориро-ванной в растворах на основе буры, эта величина оказалась 0,047 % по массе, а в поверхности, обработанной в растворе на основе борной кислоты - 0,043 %
по массе, что доказывает оттеснение углерода с поверхности в подповерхностный слой.
Одновременное борирование и воздействие магнитным полем на стальные образцы позволяют не только получить боридные фазы в поверхностном слое, но и создать в подповерхностном слое структуры с направленной анизотропией свойств, что способствует изменению раскладки сил при трении и снижает интенсивность изнашивания поверхности. Для достижения такого эффекта необходимо помещать детали между полюсами магнитного индуктора таким образом, чтобы действие силовых линий магнитной индукции было направлено по нормали к предполагаемому направлению вектора силы трения при работе детали.
Сплошность получаемых слоев боридов контролировалась методом цветного травления в растворе пикриновой кислоты и последующей проверкой исследуемых поверхностей с применением оптического микроскопа «ЕР^АШ»(х50). Этот метод позволяет четко идентифицировать бориды железа. Причем фазе Fe2B соответствуют желтый и светло-коричневый цвета, а фазе FeB - сиреневый и бирюзовый цвета. Было установлено, что по применённой нами технологии жидкостного борирования стальных образцов сплошность боридного слоя составила 100 %. При этом при обработке в растворах на основе буры в поверхностном слое стали преобладает фаза Fe2B, а в растворах борной кислоты - фаза FeB.
Для выявления повышения прочностных характеристик борированной поверхности стали были проведены её испытания на микротвердость. Для сравнения определили микротвердость необработанной поверхности из сталей 30 и 40, величина которой составила 179 НВ и 187 НВ соответственно. Микротвердость борированных образцов из тех же марок стали, выдержанных 30 мин в борсодержащих растворах, составила для стали 30 - 243 НУ, что соответствует 241 НВ (22 ШС), а для стали 40 - 256 Ш, что соответствует 250 НВ (24 ЖС). Для образцов, выдержанных 120 мин, микротвердость составила: для стали 30 - 355 НУ, что соответствует 340 НВ (37 ШС), для стали 40 - 440 НV, что соответствует (44 ЖС). С целью дальнейшего повышения твердости борирован-ной поверхности проводили её термообработку ТВЧ при t = 1100 оС в течение 3 мин с последующей закалкой в масле. Полученная при этом микротвердость для образцов, выдержанных в растворах 30 мин, составила: для стали 30 - 291 НУ, что соответствует 280 НВ (29 ШС), для стали 40 - 350 НУ, что соответствует 36 НRC. Для закаленных образцов с выдержкой 120 мин микротвердость составила: для стали 30 - 485 что соответствует 48 HRC, а для стали 40 - 572 Н^ что соответствует 51 ЖС. Таким образом, предлагаемый метод упрочнения поверхности стали борированием (выдержка в растворах в течение 120 мин) с последующей закалкой ТВЧ позволяет повысить её микротвердость более чем в 2 раза.
a
9
Исследование борированных образцов конструкционных и инструментальных углеродистых сталей на коррозионную стойкость проводили экспресс-методом в 5 %-х водных растворах уксусной и соляной кислот с последующей промывкой и обработкой поверхности красящими средами, а также длительным воздействием открытой атмосферы. Визуальная оценка испытуемых первым методом образцов проводилась с применением оптического микроскопа «EPIQANT» (*200) и не показала наличия язв и сетки мелких трещин на их поверхности. Для сравнения таким же методом исследовали коррозионную стойкость поверхности стали 30, не подвергшейся борированию. Исследования показали наличие язв на поверхности необработанной стали.
Кроме того, борированные и неборированные образцы стали по второму методу подвергали воздействию открытой атмосферы воздуха (различного рода осадкам и перепадам температур) в течение 1 года. При этом контрольные образцы конструкционной стали, не модифицированные борированием, подверглись значительной атмосферной коррозии и по истечении срока имели на поверхности потемнения и обширные области, покрытые ржавчиной. Эксперимент доказал стабильную устойчивость борированных образцов к атмосферным воздействиям, так как бориро-ванная поверхность, исследованная под микроскопом с увеличением х50, совершенно не имела очагов окисления (ржавчины).
Предлагаемый метод жидкостного борирования позволяет повысить износостойкость, более чем в 2 раза микротвердость и одновременно достичь корро-
Поступила в редакцию
зионной стойкости поверхности конструкционных и инструментальных сталей. Способ борирования экономичен, так как не требует высоких температур и дорогостоящего оборудования. Метод жидкостного борирования с его различными модификациями можно рекомендовать для повышения твёрдости и износостойкости деталей из конструкционных сталей, для продления срока службы штамповой оснастки и мерительного инструмента, для повышения коррозионной стойкости в кислых и водных средах, при атмосферном воздействии на изделия из конструкционных и углеродистых инструментальных сталей.
Литература
1. Ворошнин Л.Г., Ляхович Л.С. Борирование стали. М., 1978. 240 с.
2. Пат. RU 2135631 С1 6С23С8/42, C23D3/00. Способ бори-рования поверхности стали для эмалирования.
3. Веропаха Д.Н., Веропаха Н.В., Яценко Е.А. Способ обработки стали под защитные стеклоэмалевые покрытия // Практика противокоррозионной защиты. 1999. № 4 (14). С. 25 - 34.
4. Веропаха Н.В. Формирование, свойства и технология однослойных стеклоэмалевых покрытий для стальных бытовых изделий: автореф. дис. ...канд. техн. наук. Белгород, 1996.
14 ноября 2013 г.
