CC BY
18
УДК 620.183.256.2
ОСОБЕННОСТИ СТРОЕНИЯ БОРИРОВАННОГО СЛОЯ НА ХРОМИСТЫХ СТАЛЯХ
А.М. Козлов, Л.В. Лукиенко, М.Н. Каменский
Представлен предполагаемый механизм формирования переходной зоны. Наличие характерной прослойки между слоем боридов и переходной зоной на высокохромистых промышленных марках сталей ранее не обнаруживалось. На сталях лабораторных плавок, выполненных на основе железа-армко, это имело место.
Ключевые слова: борированный слой, сканограмма, фрактограмма, микрошлиф, прослойка, переходная зона, дислокация.
Исследование строения борированных слоев проводилось на сталях лабораторных плавок, полученных в индукционной печи на основе технически чистого железа, с содержанием хрома: 0 % (железо-армко), 6, 13, 17 и 22 %, что позволило достаточно системно проверить влияние хрома на борируемость сталей марок 08Х6, 08Х13, 08Х17, 08Х22 и модельного материала - железа-армко.
Стали выплавляли в индукционной печи на основе технически чистого железа. Разливка осуществлялась в 8 кг слитки, которые подвергались гомогенизирующему отжигу при 1100 оС в течение трех часов, затем ковались до диаметра 30 мм и прокатывались в пруток, сечением 14х14 мм. Нагрев до 1100.. .1150 оС под прокатку проводился в газовой печи, температура конца ковки (прокатки) составляла 850.900 оС.
Борирование осуществлялось из порошковой смеси в контейнерах с плавким затвором. Образцы, размером 10*10*5 мм засыпались шихтой состава: карбид бора, содержащий до 2.3 % борного ангидрида (В2О3), технической буры (Na2B4O7), активаторами являлись: хлористый натрий (NaCl), хлористый аммоний (NH4Cl), йодистый аммоний (NH4I), фторобо-рат калия (KBF4), сода (Na2CO3) и обогащенная руда «магнетит», состав которой: MgO - 0,17 %; FeO - 28,9 %; Fe2O3 - 52,3 %; CaO - 0,24 %; SiO2 -6,44 % и прочие вещества (в частности Al2O3 - 1,5 %).
Составляющие смеси подвергались предварительной просушке, далее взвешивались на аналитических весах, а затем тщательно перемешивались. Количество смеси определялось из расчета 5.8 г на 1 см2 поверхности обрабатываемого образца.
Образцы располагались в средней части контейнера в зоне оптимального прогрева 100 мм от горловины при общей глубине стакана 200 мм.
Установленный контейнер загружался в разогретую до температуры борирования печь, типа «СШОЛ» 1.1.6/12 (1000 0С, выдержка 4 часа), и по окончании процесса охлаждался на спокойном воздухе.
Борированные образцы после выгрузки очищались от остатков смеси с помощью скребков и металлических щеток, а затем промывались в горячей воде и сушились в эксикаторе с прокаленным силикагелем в течение суток.
Для изучения особенностей строения борированного слоя использовался металлографический микроскоп МИМ-8 на поперечных и продольных шлифах, как в нетравленом виде, так и после травления [1].
Для выявления структуры нержавеющей стали использовался раствор хлорного железа (1 г хлорного железа; 30 мл соляной кислоты и 120 мл дистиллированной воды), для цветного травления боридов применялся пикрат натрия (0,5 г пикриловой кислоты; 12,5 г едкого натра на 25 мл дистиллята).
Изучение тонкой структуры слоя осуществлялось с помощью растровой электронной микроскопии на приборе «Стереоскан» в режиме вторичной эмиссии.
Фрактограммы изломов были сняты с искусственно полученных сколов борированного слоя [2].
Распределение элементов (Сг, N1, Бе) определялось полуколичественным методом на микроанализаторе «Камека» с поверхности поперечных нетравленых шлифов при локальности пучка 6 мкм [3].
В результате исследования получено, что на железе-армко (как модельном материале) борированный слой состоит из зоны сплошных боридов - БеВ и Бе2Б, представляющих собой столбчатые кристаллы («языки»), рис. 1, а. На стали 08Х6 слой аналогичен по строению (рис. 1, б), только боридные «языки» массивнее и несколько короче. Во внешней зоне помимо БеВ и Бе2В появляются следы специального борида хрома Сг2В (по результатам рентгеноструктурного анализа), а в переходной зоне включения боридов по границам зерен основы.
На сталях с 13, 17 и 22 % содержанием хрома строение слоя резко изменяется (рис. 1, в, г, д). Здесь четко выделяется зона сплошных боридов с ровной, без боридных «языков» границей, затем следует прослойка мелких, пластинчатых боридов и переходная зона. Наличие столь характерной прослойки в слое на высокохромистой стали ранее в литературе по бори-рованию не отмечалось. В связи с этим было проведено более подробное изучение ее методом растровой электронной микроскопии. На рис. 2 и 3 представлены сканограммы строения слоев на сталях 08Х17 и 08Х22 лабораторных плавок при разном увеличении.
На стали 08Х17 прослойка состоит из нитевидных (границы пластин) кристаллов боридов, часто расположенных, с преимущественно нормальной ориентировкой к поверхности насыщения и определенным кристаллографическим направлением в пределах зерна или фрагмента (рис. 2, а).
Сканограмма границы слоя боридов с прослойкой (рис. 2, в) свидетельствует о зарождении и росте боридных пластин прослойки непосредственно из слоя сплошных боридов и когерентно связанных с ним. Сканограмма, снятая в месте стыка боридов БеВ и БегВ, во внешнем боридном слое на стали 08Х17 (рис. 2, б), позволяет выделить границы этих фаз, места выкрашиваний, микропоры и микротрещины между иглами. В области закрепления оснований боридов прослойки также фиксировались поры (рис. 2, в).
а б в г д
е ж
Рис. 1. Микроструктура борированных слоев на хромистых сталях *200 (1000о, 4 часа): а - железо-армко; б - 08Х6; в - 08Х13; г - 08Х17; д - 08Х22; е - 08Х17, 8 часов; ж - 08Х22, косой шлиф
а б в г
Рис. 2. Сканограммы борированного слоя на стали 08Х17 (1000 оС, 4 часа): а - общий вид слоя *500; б - граница: ¥еБ-¥в2В *4500; в - граница боридный слой-прослойка *4500; г - граница прослойка-переходная зона *4500
а б в г
Рис. 3. Сканограммы борированного слоя на стали 08Х22 (1000 оС, 4 часа): а - общий вид слоя и переходной зоны *200; б - граница боридный слой-прослойка *800; в - бориды в прослойке *1000; г - борид по границам зерен переходной зоны *4500
166
Граница прослойка-переходная зона имеет четкие контуры (рис. 2, г), достаточно ровная и очерчивает концы боридных игл.
На стали 08Х22 прослойка менее развита (рис. 1, д), пластинчатые образования боридов расположены реже (рис. 3, а) и ориентированы по определенным кристаллографическим направлениям (рис. 3, б). Если рассматривать продольный шлиф (рис. 1, ж), выполненный по прослойке, обнаруживаются крупные иглы боридов. По всей видимости, механизм образования этих игл отличен от механизма образования боридов, составляющих прослойку на сталях типа 08Х13 и 08Х17 (рис. 1, в, г). На последних сталях при выдержке в ходе борирования свыше 4-х часов бывали случаи появления крупных одиночных игл, пронизывающих прослойку и внедряющихся в основу металла (рис. 1, е). Эти иглы имели определенную кристаллографическую направленность.
На границе прослойки с переходной зоной и по границам зерен расположены боридные образования (рис. 2, г) и (рис. 3, а, г). Можно предположить, что внутри прослойки преимущественная диффузия бора и легирующего элемента идет по границам раздела фаз: бориды-твердый раствор (рис. 3, б), а в переходной зоне бор диффундирует, в основном, по границам зерен матрицы (рис. 3, г).
В переходной зоне «ямки травления» либо отдельных дислокаций, либо дислокационных скоплений с характерной кристаллографической огранкой (рис. 3, б, в, г) - глубокое травление раствором хлорного железа. На панорамном снимке (рис. 3, а) видно, что плотность «ямок травления» снижается по мере приближения к основе. Наличие «ямок травления», вероятнее всего связано с присутствием бора в твердом растворе, а характер их распределения - с особенностями его диффузии. Бор, диффундируя в растворе, «оседает» на дислокациях, декорируя их и, тем самым, способствует столь характерной картине вытравливания.
На границах зерен переходной зоны (зона твердого раствора бора) четко выявляются пластинки боридов. Характер роста пластин и образование ответвлений второго порядка прослеживается на рис. 3, в. В некоторых местах между пластинами боридов и боридным слоем образуются поры, вероятно, диффузионного происхождения, хотя и не имеющие характерной огранки.
Данные полуколичественного анализа рентгеновского микроанализатора «Камека» фиксируют перераспределение хрома по слою на стали 08Х17, причем в зоне сплошных боридов его в два раза меньше, чем в матрице. Это связано с ограниченной растворимостью боридов хрома в бори-дах железа и оттеснением их в прослойку и переходную зону. Можно предположить, что именно углерод оказывает столь значительное влияние на характер распределения хрома, что не было отмечено при борировании хромистых нержавеющих сталей с содержанием углерода порядка 0,1^0,2 %. В пользу сделанного предположения о влиянии углерода свидетельствует выявленный факт появления всплесков хрома при пересечении зондом микроанализатора игл прослойки.
167
Таким образом, появление прослойки в борированных слоях на высокохромистых сталях лабораторных плавок состоящих из пластин мелких боридов и их ориентация в направлении диффузии, можно объяснить наличием избыточного хрома, оттесняемого из зоны боридов. Кроме того, эта область является зоной действия растягивающих напряжений, вызванных разницей в коэффициентах линейного расширения слоя боридов и матрицы. Дислокации и дислокационные стенки в приповерхностном слое в процессе борирования при температурах 1000 оС (температуры отжига), располагаются нормально к поверхности. Поле высоких внутренних напряжений от определенным образом расположенных дислокаций способствует образованию зародыша и его росту в направлении ориентации дислокаций по ним идет интенсивная диффузия бора и, как следствие, образование столбчатых кристаллов прослойки.
Наличие крупных боридных образований в прослойке на стали 08Х22 и отдельных игл на сталях 08Х13 и 08Х17 (рис. 1, е) в виде массивных пластин (игл), глубоко внедренных в основу и имеющих четкую кристаллографическую ориентировку, можно объяснить сдвиговыми явлениями в кристаллической решетке а-железа, вызванными также разницей в коэффициентах линейного расширения слоя и основы металла, а также возможным действием эффекта Ребиндера, сущность которого может быть объяснена так. Бор, являясь горофильным элементом, быстро диффундируя по границам зерен, покрывает их поверхность, снижая тем самым поверхностную энергию зерна, в результате способствует протеканию сдвиговых процессов в кристаллической решетке локальных объемов металла. Это явление напоминает процесс двойникования при пластическом деформировании металла, оно протекает при высоких температурах и вызвано дислокационным скольжением. Известно, [1], что в ОЦК решетке сдвиг происходит в плоскости (112) при направлении сдвига (111). Таким образом, если плоскость базиса кристаллической решетки зерна переходной зоны близка к направлению, параллельному оси растяжения, то деформация вызывает сдвиг в решетке, а горофильный бор создает в зоне несове-решенств, ориентированных в направлении диффузии, избыточную концентрацию бора, что и приводит в конечном итоге к образованию боридов характерной формы. Высокая температура процесса борирования облегчает скольжение дислокаций и способствует образованию боридов. Этим можно объяснить столь большую протяженность и массивность боридных игл в переходной зоне высокохромистых сталей. Хром, упрочняя решетку металла основы, способствует преимущественному выделению боридов по плоскостям спайности.
Таким образом, наличие столь характерной прослойки между слоем сплошных боридов на сталях лабораторных плавок и переходной зоной объясняется влиянием хрома и дислокационным механизмом ее формирования.
Список литературы
1. Гурьев А.М. и др. Физические основы химикотермической обработки сталей. Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2008. 250 с.
2. Ушаков Л.С., Каманин Ю.Н., Климов В.Е. Решение задачи оптимизации процесса разрушения минерального массива планетарным ударно-скалывающим исполнительным органом технологической машины // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2018. № 1. С. 175-181.
3.Гармаева И. А. и др. Исследование влияния различных факторов при борировании на механические свойства стали с применением математической модели // Упрочняющие технологии и покрытия. 2008. № 10. С.30-32.
Козлов Александр Михайлович, канд. техн. наук, доцент, akozlovanirhtii.ru, Россия, Новомосковск, Новомосковский институт (филиал) Российского химико-технологического университета имени Д.И. Менделеева,
Лукиенко Леонид Викторович, д-р техн. наук, доцент, заведующий кафедрой, lukienko_lv@,mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный педагогический университет им. Л.Н. Толстого,
Каменский Михаил Николаевич, канд. техн. наук, доцент, MKa-mensky@yandex. ru, Россия, Новомосковск, Новомосковский институт (филиал) Российского химико-технологического университета имени Д.И. Менделеева
STRUCTURAL PECULIARITIES THE BORATED LAYER ON CHROMIUM STEELS
LABORA TORY SMELTING
A.M. Kozlov, L. V. Lukienko, M.N. Kamensky
The article presents the proposed mechanism for the formation of the transition zone. The presence of a characteristic layer between the layer of borides and the transition zone to high chromium steels industrial grades had not previously detected. Steel laboratory smelting on the basis of Armco-iron, it took place.
Key words: borated layer, scanning image, fraktogramma, micro-groundjoint, inter-layer, a transition zone, the dislocation.
Kozlov Alexander Michailovich, candidate of technical sciences, docent, ako-zlov@nirhtu.ru, Russia, Novomoskovsk, Novomoskovsk Institute D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia,
Lukienko Leonid Viktorovich, doctor of technical sciences, docent, head of chair, lukienko_lv@,mail. ru, Russia, Tula, Tula State Lev Tolstoy Pedagogical University,
Kamensky Mikhail Nikolaevich, candidate of technical sciences, docent, MKa-mensky@yandex. ru, Russia, Novomoskovsk, Novomoskovsk Institute D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia
