CC BY
59
Температура, К -C ^-WO3 -*-WO2 -b-wc -д-w
1,000E+03
1,000E+01
1,000E-01
1,000E-03
1,000E-05
1,000E-07
s
о 1,000E-09
s
1,000E-11
1,000E-13
1,000E-15
1,000E-17
1,000E-19
1,000E-21
673 873 1073 1273 1473
Температура, К -CO CO2 C2O O C WO W
а) б)
Рис. 8. Фазовый состав в стехиометрической смеси W:3О:4C (10-3 Па): а) - конденсированная фаза, б) - газовая фаза
273
473
Термодинамические расчеты, на наш взгляд, убедительно показали возможность синтеза карбидов хрома и вольфрама при низких температурах в вакууме. Появляется возможность синтеза карбидов на поверхности углеродистых сталей без оплавления последней для поверхностного упрочнения.
Литература
1. Смирнягина Н.Н., Цыренжапов Б.Б., Милонов А.С. Фазовые равновесия в системах Me-B-C-O (Me = Ti, Zr и V) // Журнал физ. химии. - 2006. - Т.80, №11. - С. 2081-2086.
2. Smirnyagina N.N. Thermodynamic modeling of phase equilibrium in Me-B-C-O (Me-Ti, Zr, V) system in vacuum // Известия вузов. Физика. - 2006. - №10. - С. 273-276.
3. Самсонов Г.В., Виницкий И.М. Тугоплавкие соединения. - М.: Металлургия, 1976. - 560 с.
4. Самсонов Г.В., Косолапова Т.Я., Домасевич Л.Т. Свойства, методы получения и области применения тугоплавких
карбидов и сплавов на их основе. - Киев: Наукова думка, 1974. - 208 с.
5. Карбиды и сплавы на их основе. - Киев: Наукова думка, 1976. - 408 с.
6. Ватолин Н.А., Моисеев Г.К., Трусов Б.Г. Термодинамическое моделирование в высокотемпературных неорганиче-
ских системах. - М.: Металлургия, 1994. - 352 с.
Ким Туяна Бэликовна, старший преподаватель, кафедра экспериментальной и теоретической физики, Бурятский государственный университет. 670000, Улан-Удэ, ул. Смолина, 24а
Халтанова Валентина Михайлова, кандидат физико-математических наук, доцент, кафедра экспериментальной и теоретической физики, Бурятский государственный университет. 670000, Улан-Удэ, ул. Смолина, 24а
Смирнягина Наталья Назаровна, доктор технических наук, главный научный сотрудник, лаборатория электрофизики, отдел физических проблем, Бурятский научный центр СО РАН. 670047, Улан-Удэ, ул. Сахьяновой, 8, ion-beam@pres.bscnet.ru
Kim Tuyana Belikovna, senior lecturer, department of experimental and theoretical physics, Buryat State University.
Khaltanova Valentina Mikhailovna, candidate of physics and mathematics, associate professor, department of experimental and theoretical physics, Buryat State University.
Smirnyagina Natalya Nazarovna, doctor of engineering, chief researcher of electrophysics laboratory, department of physical problems, Buryat Scientific Center SB RAS.
УДК 621.9.048.7:669.15’74
ОСОБЕННОСТИ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОГО БОРИРОВАНИЯ НИЗКОУГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ В ВАКУУМЕ
Д.Э. Дашеев, Н.Н. Смирнягина, В.М. Халтанова Работа выполнена при частичной финансовой поддержке РФФИ №10-08-00918.
Исследованы условия образования, структура и свойства слоев на основе боридов железа на углеродистых сталях (3, 20, 45 и У8А) при электронно-лучевом борировании и в результате взаимодействия оксида ¥е203, бора и углерода под воздействием электронного пучка в вакууме.
Ключевые слова: электронно-лучевое борирование, электронно-лучевая наплавка, микроструктура.
2011/3
FEATURES OF ELECTRON BEAM BORIDING OF LOW CARBON STEELS IN VACUUM D.E. Dasheev, N.N. Smirnyagina, V.M. Khaltanova
The conditions offormation, structure and properties of boride iron layers on carbon steels at electron beam borating are investigated. A new process to make layers of iron borides (Fe2B, FeB) using electron beam is reported. The microstructure and microhardness of boride layers are studied and compared to layer properties obtained at solid phase borating.
Keywords: electron beam boriding, electron beam welding, microstruture.
Модифицирование поверхности металлов и сплавов позволяет увеличивать срок службы и повысить надежность работы различных деталей машин и инструментов. В последнее время наряду с традиционными в современном машиностроении методами получения защитных покрытий, повышающих твердость и износостойкость деталей, таких как цементация, азотирование, нитроцементация, борирование, хромирование и др., все больше используют пучковые технологии, например, обработку лазерным лучом и электронным пучком. Использование электронного нагрева с высокой (>109 Вт/м2) удельной мощностью в вакууме имеет преимущества благодаря быстрому безынерционному достижению предельно высоких температур и легкости регулирования нагрева в широком диапазоне температур.
В настоящей работе исследованы условия образования, структура и свойства слоев на основе бо-ридов железа на углеродистой стали 45 под воздействием электронного пучка в вакууме.
Экспериментальная часть
Твердофазное борирование (метод химико-термической обработки ХТО) проводили в порошковой смеси в контейнере с плавким затвором по следующему режиму: порошок состава 97 мас.% B4C и 3 мас.% KBF4, температура - 950оС, продолжительность - 4 ч [1].
Электронно-лучевое борирование. Исследования проводили на образцах, изготовленных из углеродистой стали 45 в форме цилиндров диаметром 0 15 мм и высотой 7 мм. Образцы готовили путем нанесения обмазки на предварительно подготовленную поверхность стали. Толщина обмазки была одинакова, не превышала 1 мм. В состав обмазки входили 1:1 по объему карбид бора B4C (технический) или бор аморфный (с содержанием основного компонента не менее 95 мас.%) и органическое связующее - раствор 1:10 клея БФ-6 в ацетоне. Обработку образцов проводили в течение 2-5 мин при мощности электронного пучка 150-300 Вт в установке с мощной аксиальной электронной пушкой [2]. Остаточное давление в вакуумной камере не превышало 2х10"3 Па.
Рентгенофазовый анализ (РФА) осуществляли на дифрактометрах ДРОН-2М ^о K*- излучении) и D8 фирмы Bruker (Cu Ka-излучении с внутренним стандартом Si).
Микротвердость и микроструктуру сформированных слоев определяли на микротвердомере ПМТ-3 c фотонасадкой - цифровой камерой Olympus c4000 zoom с оптическим увеличением *3 или использованием металлографического микроскопа «Neophot-21». Нагрузка на алмазную пирамиду составляла 50 или 100 г.
Результаты и их обсуждение
По данным РФА, поверхностный слой после ХТО состоит из борида железа FeB и борированного цементита. Микроструктуры боридных слоев приведены на рис. 1. Известно [1], что в низкоуглеродистых сталях боридный слой имеет игольчатое строение, при котором иглы боридов, срастаясь в основаниях, образуют сплошной слой (рис. 1а и б). В высокоуглеродистых сталях боридные иглы укрупнены, а концы их скруглены (рис. 1в). Непосредственно к иглам боридов примыкают перистые выделения карбоборидной фазы. Микротвердость боридных игл составляет - 1300-1350 HV, перистых выделений 300-330 HV. Толщина слоя - 70-90 мкм.
Метод электронно-лучевого борирования [3] по своему механизму, вероятно, является модификацией способа борирования из твердофазных насыщающих обмазок при химико-термической обработке. Его новизной является воздействие электронного пучка на борсодержащую обмазку в вакууме. Применение высококонцентрированного источника энергии позволяет очень быстро передавать энергию электронного пучка при его соударении о поверхность обрабатываемого металла или сплава, нагревать зону контакта до очень высоких температур. Это способствует увеличению диффузии бора из насыщающей обмазки по поверхности и проникновению его в объем металла, взаимодействию и образованию боридов железа (рис. 2). Толщина боридного слоя зависит от состава борирующего компонента. Слои толщиной 300-360 мкм получены при использовании аморфного бора, а толщиной 100-150 мкм - карбида бора. Количество наносимых слоев определяет в целом толщину насыщающей
обмазки, следовательно, и толщину образующегося боридного слоя на обрабатываемой поверхности сплава. Насыщающую обмазку наносили, намазывая один или несколько слоев. Затем обрабатываемую поверхность сушат на воздухе только после удаления растворителя, помещают в вакуумную ра-
Рис. 1. Микроструктуры боридных слоев, сформированных твердофазным борированием на сталях:
а - 20; б - 45; в - У8А; а, б - х250; в - х500
На рисунке 2 приведены зависимости массы образующего слоя от общей массы насыщающей обмазки. Общее количество клеевых слоев достигало от 1 до 5 (аморфный бор) и 1-4 (В4С). Как следует из рис. 2, для формирования боридного слоя с наибольшей массой (толщиной) достаточно нанести один клеевой слой борирующего компонента как в случае использования аморфного бора, так и карбида бора. Исходные образцы стали 45 были предварительно нормализованы при температуре 930оС в течение 7 мин, охлаждены на воздухе.
Плотность мощности эл.пучка, Вт/мм2
Рис. 2. Влияние мощности электронного пучка на толщину боридного слоя (сталь Ст3, обмазка на основе Ва-морф, время воздействия 1 мин)
Масса обмазки, г -о-Ваморф -«-В4С
3. Зависимость массы боридного слоя от количества слоев борирующего компонента (сталь Ст3, W=270 Вт, время воздействия 5 мин)
Рис.
Толщина боридного слоя зависит и от мощности электронного пучка (рис. 3). Эта зависимость имеет большое практическое значение, поскольку позволяет контролировать технологический показатель (удельную мощность, следовательно, и ток электронного пучка, и ускоряющее напряжение) в зависимости от величины требуемой толщины боридного слоя. Фазовый состав боридного слоя также зависит от состава борирущего компонента. По данным РФА, слои содержат бориды Бе2Б (Л8ТМ 31053) и БеБ (Л8ТМ 3-957), но количественное соотношение их различно. В боридном слое, сформированном на основе аморфного бора, преобладает борид Бе2Б. Борид БеБ является преобладающей фазой в боридном слое, образованном из насыщающей обмазки на основе карбида В4С. На рентгенограммах присутствуют также линии, принадлежащие ферриту (а-Бе, Л8ТМ 6-696), отсутствуют рефлексы борированного цементита (Бе23(С,Б)6, Л8ТМ 12-570). На рис. 4 представлены микроструктуры боридных слоев на стали 45.
Боридный слой, сформированный из обмазки на основе карбида бора (рис. 3 а, б), состоит из округлых включений, располагающихся на поверхности слоя и эвтектики, имеющих микротвердость 820-840 НУ и 510-530 НУ. Округлые включения являются первичными кристаллами боридов, что отвечает энтропийному критерию устойчивости ограниченной формы кристаллов при кристаллиза-
2011/3
ции в условиях, приближенных к равновесным. Согласно этому критерию, если значение энтропии плавления (А8) не превышает 2 кал/моль-к, кристаллы имеют округлую форму [4]. Полученные в работе [5] значения энтропии плавления для борида железа Бе2Б составляют А8=1,5 кал/моль-к. В свою очередь, округлые формы боридов определяют форму кристаллов эвтектики.
Боридный слой, сформированный из обмазки на основе аморфного бора, имеет другую структуру (рис. 4в, г). Он состоит из частиц различной формы: ромбической, призматической, дендритной. На поверхности слоя располагается сплошная светлая пленка с иглами, направленными в глубь образца. Микротвердость ее составляет 1200-1250 НУ. Внутри пленки встречаются редкие (1-2) крупные включения с микротвердостью 1750-1820 НУ. Под пленкой находятся первичные кристаллы и эвтектика с микротвердостью 840-880 НУ и 500-540 НУ соответственно.
Рис. 4. Микроструктуры слоев, сформированных на стали 45: а, б - обмазка на основе В4С; в, г - обмазка на основе аморфного В; а - х250; б - х630; в - х100; г - х500
Согласно [6], борид железа Бе2Б имеет обьемноцентрированную тетрагональную кристаллическую решетку (пр. группа I4/mcm с параметрами элементарной ячейки а=0,51087, с=0,42497 нм). При формировании слоя из обмазки, содержащей аморфный бор, кристаллы борида железа наследуют форму элементарной ячейки. Поэтому первичные кристаллы боридов имеют форму ромбов, параллелограммов и т.д., обусловленную разными углами наклона кристаллической решетки (призмы) к плоскости шлифа. Следует отметить, что аналогичные формы кристаллов боридов наблюдаются и при лазерном борировании [7].
В настоящей работе сделали попытку формирования слоев на основе боридов Бе2Б и БеБ в процессе синтеза их из стехиометрических смесей с участием Бе203, Б и С на поверхности стали 45. Для этого брали смесь исходных компонентов в соотношении Бе203:3Б:3С (Бе2Б) и Бе203:2Б:3С (БеБ), тщательно перетирали в агатовой ступке, смешивали с органическим связующим и реакционную смесь поверхности образца. Электронно-лучевую обработку проводили в вакууме не выше 2х10-3 Па при мощности электронного пучка W= 250-450 Вт в течение 1-3 мин.
Рис. 5. Микроструктура боридного слоя Бе2Б (а), БеБ (б) и БеБ+Б203 (в) на поверхности стали 45: х-400
Б.В. Раднаев, Б.В. Раднаев, А.С. Милонов, Н.Н. Смирнягина. Жаропрочность слоев боридов переходных металлов на углеродистой стали ст20
По данным РФА, боридный слой преимущественно состоит из борида Fe2B. Слой образца со стехиометрической смесью Fe2O3:2B:3C (FeB) имеет в своем составе борид FeB. Толщина боридных слоев составляла 200-280 мкм (Fe2B) и 50-80 мкм (FeB). Микроструктура слоя на основе Fe2B представлена на рис. 5а. Структура сложная, включает первичные кристаллы борида, дендритные включения эвтектики. На рис. 5б приведена микроструктура слоя на основе борида FeB.
Применение защитного слоя аморфного оксида способствовало получению равновесного борид-ного слоя. Во всех слоях наблюдали эвтектики, имеющие микротвердость 650-700 HV. Округлые и протяженные включения имели упорядоченное расположение в слое, их микротвердость в слоях была: FeB (1080 и 1150 HV), FeB+B2O3 (1250 1150 HV) соответственно. Округлые включения были лишь в слоях Fe2B (1200 HV) и Fe2B+B2O3 (1150 HV).
Литература
1. Справочник. Химико-термическая обработка металлов и сплавов / нод ред. Л.С. Ляховича. - М.: Металлургия, 1981. - 424 с.
2. Григорьев Ю.В., Семенов А.П., Нархинов В.П. и др. Мощная плавильная технологическая печь с электроннолучевым нагревом // Комплексное использование минерального сырья в Забайкалье. - Улан-Удэ: Изд-во БНЦ СО РАН, 1992. - С. 139-148.
3.Семенов А.П., Сизов И.Г., Смирнягина Н.Н. и др. Способ электронно-лучевого борирования стали и чугуна // Патент РФ № 2186872. - 2002. - БИ №22.
4. Таран Ю.Н., Мазур В.И. Структура эвтектических сплавов. - М.: Металлургия, 1978. - 312 с.
5. Тавадзе Ф.Н., Горибашвили В.И., Накаидзе Ш.Г. Форма растущих кристаллов первичных фаз в эвтектических сплавах систем Fe-Fe2B и Ni-Ni3B // МиТОМ. - 1983. - №1. - С. 2-3.
6. Кубашевски О. Диаграммы состояния двойных систем на основе железа. - М.: Металлургия, 1985. - С. 25-28.
7. Сафонов А.Н. Особенности борирования железа и сталей с помощью непрерывного СО2-лазера // МиТОМ. - 1998. -№ 1. - С. 5-9.
Дашеев Доржо Эрдэмович, научный сотрудник, лаборатория электрофизики, отдел физических проблем, Бурятский научный центр СО РАН. 670047, Улан-Удэ, ул. Сахьяновой, 8
Смирнягина Наталья Назаровна, доктор технических наук, главный научный сотрудник, лаборатория электрофизики, отдел физических проблем, Бурятский научный центр СО РАН. 670047, Улан-Удэ, ул. Сахьяновой, 8, e-mail: ionbeam@pres.bscnet.ru
Халтанова Валентина Михайлова, кандидат физико-математических наук, доцент, кафедра экспериментальной и теоретической физики, Бурятский госуниверситет. 670000, Улан-Удэ, ул. Смолина, 24а
Dasheev Dorzho Erdemovuch, researcher, laboratory of electrophysics, department of physical problems, Buryat Scientific Center SB RAS.
Smirnyagina Natalya Nazarovna, doctor of engineering, chief researcher, laboratory of electrophysics, department of physical problems, Buryat Scientific Center SB RAS.
Khaltanova Valentina Mikhailovna, candidate of physics and mathematics, associate professor, department of experimental and theoretical physics, Buryat State University.
УДК 621.9.048.7:669.15’74
ЖАРОПРОЧНОСТЬ СЛОЕВ БОРИДОВ ПЕРЕХОДНЫХ МЕТАЛЛОВ НА УГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ СТ20
Б.В. Раднаев, Б.В. Раднаев, А.С. Милонов, Н.Н. Смирнягина
Работа выполнена при частичной финансовой поддержке РФФИ №10-08-00918а.
Исследованы и сопоставлены микроструктуры и микротвердость боридных слоев, сформированных различными методами - электронно-лучевым борированием в вакууме и химико-термической обработкой насыщающих обмазок. Сформированные слои обладают гетерогенной структурой, сочетающей твердые и пластичные компоненты, приводящие к уменьшению хрупкости боридного слоя.
Ключевые слова: боридные слои, жаропрочность, термическая стабильность, гетерогенная микроструктура
