CC BY
61
В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ
2006г. Вип. №16
УДК 621.787.5
Заблоцкий В.К.1, Белкин М.Я.2, Шимко А.И.3, Хмиль E.H.4
О НЕКОТОРЫХ ОСОБЕННОСТЯХ СТРОЕНИЯ АЛИТИРОВАННОГО СЛОЯ
Изучены особенности формирования структуры при алитироеании стали 10 в порошковой и газовой среде. Предложена новая концепция последовательности структурных преобразований a-^>Fe3Al^>FeAl^>Fe2Al5 по глубине алитированного слоя в зависимости от насыщающей способности среды.
Строение алитированного слоя играет важную роль при эксплуатации изделий и связана с условиями насыщения при алитировании. Неравномерный зигзагообразный алитированный слой быстрее рассасывается, что снижает жаростойкость изделий [1-4]. В литературе отсутствуют системные данные о структуре алитированного слоя в зависимости от условий насыщения. Цель работы - установить связь между строением алитированного слоя и условиями его образования.
Для выяснения влияния насыщающей среды на строение слоя образцы из стали 10 (диаметром 2 мм) помещали на 50 мм по длине в порошковую смесь, состоящую из 49 % порошка алюминия, 49 % А120з и 2 %NH4C1. Остальная часть (100 мм) образцов находилась над смесью, чем создавались различные условия для насыщения их поверхности алюминием: в порошковой и в газовой средах. Второй образец, длиной 100 мм, подвешивали на высоте 2-3 мм от поверхности смеси. Образцы, погруженные в контейнер с плавким затвором, нагревали в лабораторной печи до 950 °С, выдерживали 5 часов, затем охлаждали с печью. Из образцов изготавливали микрошлифы, которые исследовали после теплового травления и химического травления в 4 %-ом растворе азотной кислоты в спирте.
Микроструктура образца, алитируемого в порошковой смеси, по строению после химического и теплового травлений была подобной, описанной в работе [4]. После химического травления она состояла по глубине слоя из зерен а-твердого раствора вытянутой формы, затем промежуточной зоны а-твердого раствора и игольчатых выделений фазы РезА1 по границам зерен. Далее наблюдались нетравящаяся зона а-твердого раствора повышенной микротвердости, контактирующая, ближе к поверхности, с интерметаллидами типа FeAl и Fe2Al5. В местах расположения интерметаллидов FeAl и Fe2Al5 в поверхностной зоне слоя наблюдается пористость. После теплового травления наблюдается светлый слой у поверхности - алюминид железа Fe2Al5, который не окисляется при тепловом травлении, затем темно-коричневый слой, переменной окраски, свидетельствующий об уменьшении содержания алюминия по глубине слоя от поверхности к центру и увеличении, в связи с этим, окислительной способности металла. Контактирует алитированный слой с основной структурой металла через бирюзовую (после теплового травления) зону повышенного содержания углерода, оттесненного алюминием с поверхности вглубь металла в процессе алитирования.
В части образца, расположенной над поверхностью смеси, наблюдается следующая структура: феррито-перлитная сердцевина с повышенным содержанием перлита на границе раздела фаз, затем зерна а-твердого раствора шестигранной и вытянутой формы, далее наблюдаются игольчатые включения и сетка выделений различной толщины по границам зерен. В данном случае выделение Fe3Al непосредственно у границы твердого раствора представляет тонкую сетку, а ближе к поверхности - более широкую сетку. Близко к поверхности появляются мелкие зерна фазы FeAl, усеянные, по границам и внутри, порами (рис. 1 и 2).
1 ДГМА, д-р техн. наук, проф.
2 ДГМА, д-р техн. наук, проф.
3 ДГМА аспирант
4 ДГМА, мл. науч. сотр.
Исследование микроструктуры образца на расстоянии 5 мм от поверхности насыщающей смеси после химического травления показывает, что непосредственно к сердцевине образца примыкает (рис. 1, а) слой твердого раствора алюминия в железе. Зерна этого раствора имеют удлиненную форму в направлении, параллельном глубине слоя, и гексагональную форму при анализе структуры под углом 90° к поверхности слоя. На некотором расстоянии от металла сердцевины в слое по границам зерен обнаруживаются выделения фазы Ре3А1 [1].
а) б)
Рис. 1 - Микроструктура алитированного слоя стали 10 на расстоянии 5 мм (а) и 7 мм (б) от поверхности насыщающей смеси, хЮО.
«¿1 Л
а) 6)
Рис. 2 - Микроструктура алитированного слоя стали 10 на расстоянии 10 мм от поверхности насыщающей смеси после химического (а) и теплового (б) травления, хЮО.
Эти выделения как бы разделяют слой на две части: к основному металлу примыкает травящийся а-твердый раствор алюминия в железе, к поверхности примыкает нетравящийся слой, переходящий у самой поверхности в тонкий пористый слой. При исследовании алитированного металла по длине образца на большем расстоянии (7 мм) от поверхности насыщающей смеси (рис. 1, б) обнаруживается одна полоса сетки выделяющейся фазы, а на расстоянии 10 мм вся часть слоя от первоначально появившихся следов сетки до приповерхностного пористого слоя заполнена сеткой (рис. 2, а).
Полученные результаты исследований позволяют установить неизвестный из литературы механизм образования фазы РезА1. Суть его заключается в том, что данный алюминид образуется с момента, когда твердый раствор пересыщен алюминием и устойчивость его невысока. Подобные условия, в первую очередь, могут быть созданы на границах зерен твердого раствора, где содержание алюминия достаточно для образования алюминида. На основании этой концепции можно объяснить внешний вид структуры алитированного слоя. На первых порах алюминий насыщает поверхность металла и образуется твердый раствор алюминия в железе. Одновременно с этим повышается устойчивость твердого раствора к выделению фаз при охлаждении. Естественно, воздействие обоих факторов приводит к тому, что в какой-то момент твердый раствор становится пересыщенным алюминием и при охлаждении с него возможно выделение фаз. Это выделение будет распространено лишь на ту часть раствора, которая пересыщена алюминием, и недостаточно устойчива. Выделение фаз прекратится в той части слоя, которая обладает повышенной устойчивостью при охлаждении. Вот почему первые выделения фазы РезА1 наблюдаются на определенном расстоянии по глубине слоя от основного металла, то есть в той части слоя, которая получает достаточное пересыщение алюминием, необходимое для образования интерметаллида.
Удаление от реактивной поверхности порошковой смеси уменьшает легированность твердого раствора и создает, тем самым, условия для образования большего количества РезА1 и выделения ее при охлаждении по границам зерен. Это заметно, также, по утолщению сетки выделений по границам зерен. Вблизи поверхности образуется сплошной слой РезА1 (рис. 2). Продолжение процесса алитирования приводит к тому, что на базе фазы Ре3А1 зарождается фаза РеА1. Поскольку РеА1 (а2-фаза, 32,57 % А1, решетка кубическая, число атомов в ячейке - 4, период решетки а=2,90 кХ [5]) имеет меньший удельный объем, чем РезА1 (13,87 % А1, решетка кубическая, число атомов в ячейке - 16, параметр решетки а=5,78 кХ [5]), в местах ее образования появляются поры. Характер распределения пористости указывает на то, что фаза РеА1 первоначально образуется по границам соединений РезА1. На это указывает незначительная пористость, расположенная среди частиц Ре3А1. Исчезновение фазы Ре3А1 и образование фазы РеА1 способствует появлению между ними заметной границы, по одну сторону которой до поверхности образца расположена пористая структура фазы РеА1. Можно предположить, что вслед за РеА1 должна появиться беспористая фаза РегА^. Необходимо отметить, что пористость слоя, полученная в случае алитирования в порошковой смеси, также должна быть связана с образованием фазы РеА1.
Образец, который был подвешен, слоя не имел.
Обращает на себя внимание тот факт, что та часть образца, которая находилась в порошковой смеси, была хрупкой по сравнению с той частью, которая находилась в газовой среде. Металл, который алитировался в газовой среде, легко скручивался, пористый слой легко отделялся от поверхности. В данном случае хрупкость части образца, расположенного в порошковой смеси, можно объяснить большой толщиной слоя алюминидов на его поверхности.
Результаты исследования микроструктуры позволяют предположить следующий механизм образования алитированного слоя в части образца, расположенного в смеси и над ее поверхностью. В смеси образование А1С1 происходит неравномерно со всех сторон, а поэтому формируется неравнотолщинный слой. В той части, которая расположена над поверхностью, формирование слоя происходит в условиях равномерного окружения газом с одинаковым боковым давлением. По мере удаления от поверхности смеси плотность А1С1 в единице объема газов уменьшается, что вызывает аналогичное уменьшение толщины слоя. Естественно, что непрерывность газового шлейфа в данном случае порождает конусность слоя. Поток газов вверх по стволу образца обусловлен адсорбционным притяжением молекул А1С1 к поверхности металла. Можно ожидать, что уменьшение концентрации А1С1 в газовой среде должно способ-
ствовать уменьшению концентрации алюминия в твердом растворе по мере удаления от насыщающей поверхности по длине образца. Об этом можно судить по уменьшению значений микротвердости по толщине слоя, измеренных по длине образца на различных расстояниях от поверхности порошковой смеси (см. табл.), а также по потемнению окраски по глубине слоя после теплового травления.
Таблица - Значения микротвердости по глубине алитированного слоя
Горизонт определе- Микротвердость Нюо ( -[/мм ) по глубине слоя, мкм
ния микротвердости
по отношению к по- Основной 50 100 150 200 250 300
верхности порошко- металл
вой смеси
5 мм (ниже) 1320 1130 2060 3090 4880 8830 8830
5 мм (выше) 1500 1320 1320 2730 3090 3500 3660
7 мм (выше) 1700 1700 2060 2790 3090 3500 -
10 мм (выше) 1700 1700 2060 2790 3090 - -
В образце, который был подвешен над поверхностью смеси и не имел с ней непосредственного контакта, адсорбционное притяжение молекул А1С1 к поверхности металла затруднено. Поэтому в газовой среде А1С1 отсутствует градиент концентраций, способствующий направленному потоку молекул А1С1 к поверхности металла. Уменьшение А1С1 снижает содержание алюминия в алитированном слое, о чем можно судить по изменению окраски слоя после теплового травления и микротвердости.
Выводы
1. При алитировании в порошковой смеси возможности для выделения фазы РезА1 ограничены. По этой причине, после алитирования в порошковой смеси структурные слои представляют собой: a-твердый раствор пониженной легированности —► выделение Без Al внутри a-твердого раствора —► a-твердый раствор повышенной легированности —► FeAl — Fe2Al5.
2. При алитировании в газовой среде последовательность формирования слоев происходит в соответствие с диаграммой состояния Fe-Al: a-твердый раствор пониженной легированности —► выделение Fe3Al внутри a-твердого раствора —► Fe3Al —► FeAl—>■ Fe2Al5.
Перечень ссылок
1. Минкевич А.Н. Химико-термическая обработа металлов и сплавов. Второе переработанное издание / А.Н.Минкевич. - М.: Машиностроение, 1965. - 492 с.
2. Химико-термическая обработка металлов и сплавов. Справочник / Г.В.Борисенок, Л.А.Васильев, Л.Г.Ворошнин и др. - М.: Металлургия, 1981. - 424 с.
3. Заблоцкий В.К. Формирование алитированного слоя для защиты от окисления наплавленного инструмента из быстрорежущих сталей/ В.К.Заблоцкий, М.Я.Белкин, А.И.Шимко / Надежность инструмента и оптимизация технологических систем: Сб. научн. тр.. - Краматорск - Киев: ДГМА. - 2004. - Вып. № 15. - С. 103-107.
4. Заблоцкий В. К. Особенности влияния алитирования на структуру и свойства стали 10 / В.К Заблоцкий., А.И Шимко.П Восточно-Европейский журнал передовых технологий.-2005 . - № 6,- С.33-36.
5. Гудцов П.Т. Металловедение и термическая обработка стали и чугуна. Справочник. / Н.Т.Гудцов, М.ЛБернштейн, А.Г.Рахштадт. - М.: Металлургиздат, 1957. - 1204 с.
Статья поступила 14.03.2006
