CC BY
34
iJLehty
ЩЩ г
--а (36), 2005/ I4U
Microhardness and microfragility of boride layers, received as a result of thermodiffusion strengthening, are studied and connection between microhardness, microfragility and degree of load at testings is established in this article.
Л
В. Ф. ПРО ТА СЕВИЧ, В. В. МЕЛЬНИЧЕНКО, БИТУ удк
НЕКОТОРЫЕ ОСОБЕННОСТИ МИКРОТВЕРДОСТИ И МИКРОХРУПКОСТИ БОРИДНЫХ СЛОЕВ
Одним из путей повышения стойкости инструмента, деталей машин, технологической и инструментальной оснастки является создание на поверхности изделий боридных диффузионных покрытий. Для оценки боридных покрытий важно знать их механические свойства и, в частности, микротвердость.
В настоящей работе исследованы микротвердость и микрохрупкость боридных слоев, полученных в результате термодиффузионного насыщения, и установлена связь между микротвердостью, микрохрупкостью и величиной нагрузки при испытаниях.
Исследования проводили на стали У8 с бо-ридными покрытиями. Борирование осуществляли в порошковых средах в контейнерах с плавким затвором при температуре 950°С в течение 4 ч [1]. В результате насыщения на образцах были получены одно- и двухфазные боридные слои. Толщина однофазного слоя, состоящего из Ре2В, составляла -100 мкм. Общая толщина двухфазного слоя достигала -200 мкм при толщине поверхностной зоны Ре В -100 мкм.
Микротвердость и микрохрупкость покрытий измеряли на приборе ПМТ-3 при нагрузках на индентор от 0,4 до 2,0 Н. Испытания на вдавли-
вание проводили по двум схемам: 1) по поверхности образца вдоль оси боридных игл; 2) по слою на поперечных шлифах на расстоянии 30 мкм от поверхности образца. Шлифы для определения микротвердости готовили по стандартной методике: грубая шлифовка, затем чистовая шлифовка на шкурках и полировка на сукне с оксидом хрома. При измерении микротвердости и микрохрупкости проводили 40 замеров при одной нагрузке.
Исследование микрохрупкости осуществляли по методике, описанной в работе [2]. Микрохрупкость оценивали в зависимости от числа отпечатков с дефектами и характера дефектов вокруг отпечатка. Суммарный балл хрупкости рассчитывали по формуле
Z=0яn+lя1 +2 п. +3 пх +4 пл +5 л.,
0 1 2 3 4 5'
где Z — суммарный балл хрупкости; п0, яр п2, п2, п4, п5 — количество отпечатков из общего числа с данным баллом хрупкости.
В ходе исследований была проведена статистическая обработка результатов измерений. Исключены грубые ошибки — промахи.
Результаты измерения микротвердости поверхности по первой схеме для одно- и двухфазного боридного слоя приведены в табл. 1.
Таблица 1. Микротвердость поверхности слоев FeB и Fe2B
Нагрузка, н FeB Fe.B
микротвердость поверхности, МПа среднеквадратичная ошибка (Sn), МПа микротвердость поверхности, МПа среднеквадратичная ошибка (Sa), МПа
0,4 14800 3900 9900 3400
0,5 13900 2900 9400 2900
1,0 16100 2150 15700 2200
2,0 16500 1300 17200 1600
Измерения микротвердости поверхности боридных фаз одно- и двухфазного боридного слоя показали, что микротвердость поверхности меняется в зависимости от величины нагрузки на индентор (рис. 1).
Как видно из рисунка, выделяются три участка изменения микротвердости. На первом участке (нагрузка менее 0,5 Н) значения микротвердости повышаются при уменьшении нагрузки от 0,5 и ниже. На этом участке значения среднеквад-
146
/ШГГгП ГГ Г£Ш?ШгТПТ(7
I a (36), 2005 -
В 5 FTTTir
«3
с:
л §
а
ф
CD
5
CL
170 150 130 110 90
FeB //
1 / /
i
/
0,5 1,0 1,5
Нагрузка, Н
2,0
Рис.
1. Изменение микротвердости поверхности боридных слоев в зависимости от нагрузки
ратичной ошибки достигают для фаз БеВ и Ре2В 3900 и 3400 МПа соответственно (табл. 1). Установленную закономерность — повышение микротвердости при малых нагрузках наблюдали и в работе [3] при измерении микротвердости металлов: N1, Бе, 8Ь, Сг, и ве. Микротвердость этих металлов при уменьшении нагрузки ниже 0,5 Н возрастала и тем в большей степени, чем тверже материал.
При увеличении нагрузки в интервале 0,5—1,0 Н (участок 2) происходит рост значений микротвердости с одновременным падением среднеквадратичной ошибки (табл. 1). На участке от 1,0 Н
Таблица 2. Микротвердость
и выше микротвердость не зависит от нагрузки. Ошибка измерений на третьем участке достигает минимума и составляет 1300—1600 МПа соответственно для фаз БеВ и Ре2В.
Из табл. 1 видно, что в проведенных исследованиях ошибка измерений микротвердости меняется в зависимости от нагрузки на индентор и величины значений микротвердости. При переходе к малым нагрузкам значительно возрастает погрешность измерений.
Как показано в работе [2], при замере микротвердости на приборе ПМТ-3 относительная ошибка измерений зависит от величины диагонали отпечатка. Если длина диагонали отпечатка составляет 20, 10 и 5 мкм, то ошибка соответственно будет равняться 5, 10 и 20%. В наших исследованиях при измерении микротвердости размер диагонали отпечатка изменялся от 6 до 16 мкм, что соответствовало ошибке от 16 до 6%.
Измерение микротвердости поверхности по схеме 1 вдоль оси боридных игл показало, что все отпечатки не имели дефектов и суммарный балл хрупкости Z=0.
На следующем этапе работы исследовали изменения микротвердости и микрохрупкости фаз РеВ и Ре2В при испытании на вдавливание по второй схеме вдоль слоя на поперечных шлифах. Результаты измерений представлены в табл. 2.
и микрохрупкость фаз
FeB и Fe2B вдоль слоя
Нагрузка, Н FeB Fe2B
микротвердость слоя, МПа среднеквадратичная ошибка (Sm), МПа суммарный балл хрупкости Z количество отпечатков с дефектами микротвердость слоя, МПа среднеквадратичная ошибка (8СЛ), МПа суммарный балл хрупкости Z количество отпечатков с дефектами
0,4 1310 370 36 19 1230 430 16 12
0,5 1250 370 65 30 1160 280 53 26
0,6 1300 300 74 32 1300 300 41 25
0,7 1340 250 73 33 1330 290 35 19
0,8 1390 240 75 31 1600 300 45 27
1,0 1490 180 76 33 1620 310 83 37
1,1 1540 220 105 37 1530 280 95 38
1,2 1600 240 68 32 1500 260 105 39
1,3 1720 220 85 31 1430 270 100 39
1,5 1440 160 145 40 1 ¿90 9SO 1^8 АО
Изменения микротвердости боридного слоя на поперечных шлифах в зависимости от величины нагрузки можно разделить на три участка (рис. 2— 5). При малых нагрузках (менее 0,5 Н) наблюдаются повышение значений микротвердости с уменьшением величины нагрузки и самый низкий суммарный балл хрупкости — 36 и 16 соответственно для РеВ и Ре2В. Количество отпечатков с дефектами составляет 19 и 12. Отпечатки с дефектами относятся к 1—3-му баллу хрупкости и имеют одну или две трещины у угла отпечатка. Среднеквадратичная ошибка измерений на первом участке достигает максимума — 3700 и 4300 МПа соответственно для фаз РеВ и Ре2В.
0 0,5 1,5 2р
Нагрузка, Н
Рис. 2. Изменение микротвердости борида БеВ в зависимости от нагрузки
^^¿БНТУ ■
—- 4 (36), 2005
/147
150 125 100 75 50
s &
о ^
с
§: X
с; с: оз ю
л х
% 25
о
—к 1
i Kt
—i
0,5
ца
Нагрузка, Н
1,5
2Л
Рис. 3. Изменение микрохрупкости борида FeB в зависимости от нагрузки
0
0,5
2fl
Рис.
м
Нагрузка, Н
4. Изменение микротвердость борида Fe2B в зависимо сти от нагрузки
0,5 1,0
Нагрузка, Н
Рис. 5. Изменение микрохрупкости борида Fe2B в зависимости от нагрузки
Следующий участок - это от 0,5 до 1,0 Н. На этом участке установлено повышение значений микротвердости при одновременном увеличении суммарного балла хрупкости в 2—3 раза по сравнению с первым участком и снижение относительной ошибки измерений (табл. 2). Количество отпечатков с дефектами на данном участке колеблется в пределах 30. Отпечатки с дефектами относятся к 1—4-му баллу хрупкости.
Третий участок — нагрузка более 1 Н. Идет дальнейшее повышение микрохрупкости. Количество отпечатков с дефектами приближается к 40. При нагрузке 1,5 Н суммарный балл хрупкости повышается в 2 раза по сравнению со вторым участком. Количество отпечатков с дефектами достигает 40. Появляются отпечатки, соответствующие 5-му баллу хрупкости (разрушение формы отпечатка). Более половины отпечатков имеют 4-й балл хрупкости (один—два скола у сторон отпечатка). Значение микротвердости уменьшается и составляет 14 400 и 14 200 МПа для FeB и Fe2B соответственно.
Выводы
Установлена связь между микротвердостью боридного слоя и величиной нагрузки на индентор. Изменения микротвердости поверхности боридных слоев для фаз FeB и Fe2B от нагрузки идентичны. Кривые имеют три участка: повышение микротвердости при уменьшении нагрузок менее 0,5 Н; значительный рост микротвердости при увеличении нагрузки от 0,5 до 1,0 Н и практически отсутствие зависимости микротвердости от нагрузки в интервале 1—2 Н.
Суммарный балл хрупкости вдоль оси боридных игл Z= 0, что подтверждает анизотропию микрохрупкости боридов FeB и Fe2B.
Литература
1. Химико-термическая обработка металлов и сплавов: Справ. / Г.В. Борисенок, Л.А. Васильев, Л.Г. Ворошнин и др. М.: Металлургия, 1981.
2. Глазов B.M., Вигдорович В.И. Микротвердость металлов. М.: Металлургия, 1969.
3. Хижняк В.Г., Лоскутов В.Ф., Евтушенко O.B. О микротвердости и микрохрупкости карбидных покрытий на инструментальных сталях // Защитные покрытия на металлах. Киев :Наукова думка, 1982. Вып. 16. С. 74—76.
