Научная статья на тему 'Применение процессов самораспространяющегося высокотемпературного синтеза для поверхностного упрочнения конструкционных сталей титаном и бором'

Применение процессов самораспространяющегося высокотемпературного синтеза для поверхностного упрочнения конструкционных сталей титаном и бором Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

CC BY
408
62
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
самораспространяющийся высокотемпературный синтез / газотранспортная технология / газотранспортные химические реакции / тепловое самовоспламенение / титаноборидные покрытия / диффузионное насыщение / титано-борированные стали. / self-propagating high-temperature synthesis / gas-transport technology / gas-transport chemical reactions / thermal spontaneous ignition / titanic-boron coverings / diffusive satiation / titanic-borated steels.

Аннотация научной статьи по технологиям материалов, автор научной работы — Б П. Середа, И В. Палехова, Д Б. Середа

Рассмотрена газотранспортная СВС-технология нанесения титано-борированных покрытий при различных способах обработки. Показаны результаты исследований их структуры и свойств. Приведены сравнительные данные эксплуатационных характеристик СВС-покрытий и их диффузионных аналогов.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Application of processes of self-propagating high temperature synthesis for the superficial work-hardening construction steels with titan and boron

Gas-transport SHStechnology of causing of the titanic-boron coverings is considered at the different ways of treatment. The results of researches of their structure and properties are shown. Comparative data of operating descriptions of the SHS-coverings and their diffusive analogues are given.

Текст научной работы на тему «Применение процессов самораспространяющегося высокотемпературного синтеза для поверхностного упрочнения конструкционных сталей титаном и бором»

II ТЕХНОЛОГИ ОТРИМАННЯ ТА ОБРОБКИ КОНСТРУКЦ1ЙНИХ МАТЕР1АЛ1В

УДК 621.793.6:621.785.5

Д-р техн. наук Б. П. Середа1, И. В. Палехова2, Д. Б. Середа1 Запорожская государственная инженерная академия, 2ООО НПФ «Днепростар»; г. Запорожье

ПРИМЕНЕНИЕ ПРОЦЕССОВ САМОРАСПРОСТРАНЯЮЩЕГОСЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО СИНТЕЗА ДЛЯ ПОВЕРХНОСТНОГО УПРОЧНЕНИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ СТАЛЕЙ ТИТАНОМ И БОРОМ

Рассмотрена газотранспортная СВС-технология нанесения титано-борированных покрытий при различных способах обработки. Показаны результаты исследований их структуры и свойств. Приведены сравнительные данные эксплуатационных характеристик СВС-покрытий и их диффузионных аналогов.

Ключевые слова: самораспространяющийся высокотемпературный синтез, газотранспортная технология, газотранспортные химические реакции, тепловое самовоспламенение, титаноборидные покрытия, диффузионное насыщение, титано-борированные стали.

Введение

В современном машиностроении значительно возросли требования к прочностным характеристикам материалов деталей машин и инструмента, в связи с этим особое значение приобретают физико-механические свойства их поверхностного слоя. Для поверхностного упрочнения изделий из конструкционных и легированных сталей широко применяют методы создания различных функциональных покрытий. Одним из наиболее эффективных методов поверхностного упрочнения сталей является химико-термическая обработка (ХТО), которая заключается в одновременном воздействии на поверхности температурных градиентов и веществ, химически реагирующих с металлом изделия [1].

Среди таких процессов важное место занимают технологии насыщения поверхностного слоя сталей бором.

Боридные слои имеют высокие физико-механические характеристики. Микротвердость слоев достигает 20000 МПа и эти значения микротвердости могут сохранятся до температур 600-700 °С, что важно для повышения износостойкости изделий, работающих при высоких температурах. При борировании на поверхности стальных изделий возможно получить достаточно протяженные слои, однако из-за различных коэффициентов температурного расширения слоя и основы, они характеризуются низкой адгезией к подложке и высо-

кой хрупкостью [2]. Кроме того, большинство из известных процессов борирования длительны (4-12 часов), трудоемки, материало- и энергозатраты [3-6]. Поэтому интенсификация процессов борирования, а также получение покрытий боридного типа, устойчивых к скалыванию и получение у них заданных свойств является в настоящее время актуальной задачей. Одним из решений этой задачи может оказаться нанесение комплексных многокомпонентных покрытий в условиях самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС).

СВС - высокоинтенсивное экзотермическое взаимодействие химических элементов в конденсированной фазе, способное к самопроизвольному распространению в виде волны горения [7-8].

Целью данной работы являлось теоретическое и экспериментальное исследование физико-механических процессов, лежащих в основе получения комплексных титано-боридных покрытий на конструкционных сталях в режиме теплового самовоспламенения с применением принципа газотранспортных химических реакций [9]. А также изучение влияния природы насыщающих реагентов, состава реакционных смесей, химического состава сталей и параметров процесса насыщения (времени, температуры, стадийности) на состав, структуру и свойства титано-боридных покрытий, полученных методом СВС.

© Б. П. Середа, И. В. Палехова, Д. Б. Середа, 2015

38

ТЕХНОЛОГИ ОТРИМАННЯ ТА ОБРОБКИ КОНСТРУКЦ1ЙНИХ МАТЕР1АЛ1В

Материалы и методика исследования

Объектом исследования были выбраны образцы из железа технической чистоты и сталей массового назначения (сталь 20, сталь 45, У8).

В качестве реакционных агентов использовали порошки дисперсностью 200-3 50 мкм карбида бора (В4С) (ГОСТ 5744-85), М^12, Сг203, А1203, А1 и Т технической чистоты. Газотранспортными агентами служили КН4С1 химической чистоты и металлический йод 12.

Химико-термическую обработку осуществляли в реакторе открытого типа (Р = 105 Па) в рабочем интервале температур 850-950 °С. Продолжительность изотермической выдержки варьировалась от 30 до 60 минут.

При нанесении покрытий использовались как одновременный, так и последовательный способ диффузионного насыщения. В обоих случаях максимальная суммарная продолжительность обработки не превышала 60 мин.

Подготовка поверхности образцов состояла в последовательных шлифовке, полировке и обезжиривания в ацетоне.

Инициирование процесса теплового самовоспламенения осуществлялось путем предварительного нагрева в печи сопротивления до температуры начала экзотермической реакции (/*).

Температуру СВС-смесей контролировали хромель-алюмелевыми и вольфрам-рениевыми термопарами в защитном чехле, помещенными в объем реакционной шихты, и подключенными к потенциометру серии КСП.

Толщину упрочненных слоев покрытий исследовали на световом микроскопе «№орЬо1-21» при увеличении до х 500. Микроструктуру выявляли методом травления в 3 % спиртовом растворе пикриновой кислоты (ТУ 6-09-08-317-80). Для выявления границ зерен феррита использовали 4 % спиртовой раствор азотной кислоты [10].

Для анализа фазового состава покрытий использовали рентгеновский дифрактометр ДРОН-3М.

Исследование элементного состава покрытий проводили методом микрорентгеноспектрального анализа с применением микроанализатора ШОЬ «8ирегргоЪ-733».

Микродюрометрический анализ проводили на приборе ПМТ-3.

Испытания на износостойкость проводились при трении о нежестко закрепленные частицы (ГОСТ 23.208-79) на установке СМТ-1. Для создания абразивно-масляной среды в масляную ванну машины трения добавляли абразивный материал, приготовленный из кварцевого песка (ГОСТ 2138-84).

Для расчета равновесного состава продуктов системы был использованы прикладные пакеты программ «АСТРА.4» и КЕса1с [11].

Теория и анализ полученных результатов

В общем случае, с точки зрения теплофизики формирование покрытий в режиме теплового самовоспламенения условно можно разделить на пять последо-

вательных стадий: инертный прогрев реакционной смеси до температуры воспламенения, тепловое самовоспламенение, прогрев изделий, изотермическая выдержка, охлаждение.

Продолжительность стадий и какие именно процессы будут протекать на каждой стадии, в значительной степени зависит от составов реакционных смесей и их тепловых характеристик.

Таким образом, регулируя в реакционных СВС-сме-сях концентрацию активных экзотермических составляющих и газотранспортных агентов, можно значительно снизить температуру начала самовоспламенения (/*) и увеличить температуру максимального разогрева (/).

Экспериментально было установлено, что при нанесении покрытий системы Т1-В максимальное содержание в СВС-шихте газотранспортных агентов не должно превышать: для МН4С1 - 5 %, а для 12 - 4 %.

На стадии инертного прогрева происходит испарение и распад используемых газотранспортных носителей по реакциям:

12 ^ 21 (1) тр ^ щ+на (2)

НС1 ^ Н+С1 (3)

На данной стадии диффузионный слой не формируется ни в смесях, содержащих В4С и Т1, ни в смесях с содержанием MgB12 и Т1.

Вторая стадия (теплового самовоспламенения) характеризуется протеканием основных экзотермических реакций:

>2 Сг203 +А1 ^ Сг+А1203

(4)

В смесях, содержащих MgB12 , возможно протекание конкурирующей экзотермической реакции по реакции (5), однако ее экзотермический эффект в используемом для насыщения интервале концентраций достаточно слабо выражен.

MgB12 + 6 Т ^ 6 Т1В2 + Mg (5)

Температура в реакторе резко повышается до максимальной температуры процесса /т. Происходит образование газообразных соединений и перенос основных насыщающих элементов к подложке. Для осуществления химического транспорта необходимо наличие градиента температур между насыщающими элементами и подложкой.

Термодинамический анализ равновесного состава продуктов системы свидетельствует о присутствии в исследуемом диапазоне температур хлоридов или йо-дидов (в зависимости от выбранного газотранспортного агента) алюминия, хрома, титана, бора.

На поверхности внесенных в порошковую систему стальных изделий на этой стадии возможно протекание гетерогенных реакций обмена с железом подложки.

На третьей стадии (прогрева изделий) происходит выравнивание температуры по объему реактора. Температура процесса снижается до расчетной темпера-

туры насыщения. Начинается формирование покрытия. При этом активные атомы титана, бора, хрома и алюминия диффундируют в металлическую подложку образуя твердый раствор этих элементов в железе, также возможно образование легированных боридных фаз.

В процессе изотермической выдержки (стадия 4) происходит формирование постоянного диффузионного потока активных атомов насыщающих элементов. Наблюдается диффузионный рост покрытия. Увеличе -ние продолжительности изотермической выдержки приводит к росту толщины слоя, который подчиняется параболическому закону. На этой стадии протекают процессы, аналогичные насыщению в стационарных условиях.

На стадии охлаждения формирование диффузионных слоев происходит менее интенсивно, это объясняется уменьшением коэффициентов диффузии насыщающих элементов.

Максимальная скорость роста покрытий наблюдается на начальных этапах СВС-процесса. Это связано с тем, что аустенит, образующийся при резком повышении температуры на стадии теплового самовоспламенения, характеризуется высокой плотностью дислока-

ций по краям зерен и разветвленностью межзеренных границ. В связи с этим его диффузионная восприимчивость увеличивается.

На толщину формируемых титано-боридных покрытий влияют состав шихты, продолжительность и температура изотермической выдержки, химический состав основы и способ насыщения (одновременный или последовательный).

В данной работе исследовался как одновременный, так и последовательный способ насыщения. Суммарная продолжительность изотермической выдержки в обоих случаях не превышала 60 минут.

При двухэтапном последовательном способе нанесения покрытий наиболее эффективно борирование сталей с последующим титанированием.

Борирование сталей после титанирования незначительно влияет на структуру и микротвердость титани-рованного слоя.

Зависимости толщин комплексных ТьБ покрытий, полученных на техническом железе и стали У8 (при одновременном и последовательном способах обработки) от температуры (/ ) и продолжительности (т ) изотермической выдержки приведены на рис. 1.

б

Рис. 1. Влияние температуры и продолжительности изотермической выдержки на толщину титаноборированных слоев, полученных на технически чистом железе и стали У8 в режиме теплового самовоспламенения при температуре насыщения

1н = 950 °С и изотермической выдержке 30 мин: а - одновременный способ насыщения; б - последовательный способ насыщения

ТЕХНОЛОГИ' ОТРИМАННЯ ТА ОБРОБКИ КОНСТРУКЦ1ЙНИХ МАТЕР1АЛ1В

Установлено, что при одновременном способе обработки основным фактором, влияющим на толщину покрытия, является концентрация легирующих элементов в реакционной смеси. При двухстадийном способе обработки основное влияние на первой стадии оказывает продолжительность обработки, а на второй - концентрация титана в СВС-шихте.

С увеличением концентрации углерода в подложке толщина покрытия уменьшается.

Фазовый состав зон в значительной степени зависит от особенностей диффузионного механизма легирующих элементов и химического состава подложки.

При двухстадийном способе нанесения ТьВ покрытий, бор, диффундирующий в поверхность сталей, легирует цементит Бе3С, который по мере увеличения концентрации атомов бора приобретает формулу борного цементита (Бе3В). Так как данное соединение неустойчиво, то оно распадается но моно- (БеВ) и геми-борид железа (Бе2В). Поскольку при нанесении покрытий методом СВС также происходит одновременное насыщение хромом и алюминием, то покрытие после первой стадии состоит из двух легированных фаз (Бе,Сг,А1)В и (Бе,Сг,А1)2В [12]. В подборидной зоне обнаруживается небольшое количество борокарбидной фазы. По мере увеличения на границе раздела концентрации атомов бора, фронт реакции смещается в сторону основы материала, проиходит оттеснение углерода вглубь подложки и формирование обогащенной углеродом зоны, которая имеет эвтектоидное строение.

При последующем титанировании образовавшееся покрытие приобретает трехфазное строение и состоит из Т1В2, легированных соединений (Бе,Сг,А1)В, (Бе,Сг,А1)2В, (Бе,Сг,А1)Т12 и переходной зоны твердого раствора В, Т1, Сг, А1 в железе.

При совместном способе насыщения диффузионный механизм формирования ТьВ покрытия имеет отличия: захват активных атомов бора и титана поверхностью металла происходит в разных местах и конкуренции между ними нет. Скорость диффузии титана в сталях ускоряется вследствие встречной диффузии углерода с образованием карбидов и карбоборидов различного состава [13]. Этот процесс повышает твердость подборидной зоны.

В местах совместной диффузии бора и титана преобладает диффузионный механизм образования покрытия. Диффундирующие элементы образуют фазы внедрения или замещения с образованием на углеродистых сталях легированные титаном, хромом и алюминием карбидные, боридные и карбоборидные фазы. Диффундирующий титан замещает железо в карбидах и карбоборидах железа, повышая их устойчивость.

В поверхностном слое образцов из технически чистого железа и углеродистых сталей образуются соединения титана с бором, представляющие собой продукт СВС-взаимодействия.

Полученные титано-боридные покрытия характеризуются игольчатым строением (рис. 2), однако при совместном насыщении с титаном, игольчатая структура менее выражена, иглы имеют более округлую форму, карбидные образования приобретают глобулярную форму, таким образом, повышая пластичность покрытия, вследствие чего снижается величина разрушающих напряжений.

'I

А^Д <73

Рис. 2. Микроструктура титаноборированного покрытия на стали 45, полученного методом СВС:

а - общий вид (х 300); б - поперечный микрошлиф слоя (х 500)

При исследовании диффузионных слоев на приборе ПМТ-3 установлено, что микротвердость соединений бора с титаном на поверхности технического железа и сталей составляет 30000 - 32000 МПа. Микротвердость легированных боридных фаз колеблется в пределах 14000 - 16000 МПа, а микротвердость переходной зоны не превышает 4500 МПа.

Результаты испытаний на износостойкость титано-борированных покрытий на машине СМТ-1 приведены на рис. 3.

400 300 200 100

о

I—-

—*— —»

0,5 1 2 3 4

продолжительность испытаний ги, ч

Рис. 3. Зависимость износостойкости различных пар трения от продолжительности испытания на машине СМТ-1 и вида

покрытия на стали 45 в присутствии: 1 - контрольный образец сталь 45 без покрытия; 2 - образец с титанобори-рованным покрытие на стали 45, полученным способом ХТО при изотермической выдержке 4 часа; 3 - образец с титаноборированным покрытие на стали 45, полученным методом СВС при продолжительности изотермической выдержки 60 мин

Как показали проведенные испытания, износостойкость образцов с покрытиями, наносимыми при различных способах обработки, отличается не существенно. Поэтому сравнивались образцы с покрытиями, нанесенными методом СВС (продолжительность насыщения 60 мин.) и химико-термической обработки в изотермических условиях (продолжительность обработки 4 часа). Толщина покрытий в обоих случаях примерно одинакова. В качестве контрольного образца использовался образец из стали 45 без покрытия.

В результате испытаний установлено повышение износостойкости СВС покрытий по сравнению с диффузионным аналогом на 45-50 %, что связано с присутствием в покрытии сложнолегированных фаз и объясняется особенностями СВС-процесса. По сравнению с контрольным образцом, наблюдается повышение износостойкости в 7-8 раз.

Выводы

1. Метод СВС позволяет получать на углеродистых сталях качественные покрытия на основе боридов титана. При этом способ насыщения влияет на толщину и фазовый состав покрытий.

2. Двухстадийная СВС-технология насыщения позволяет получать покрытия большей толщины, чем одностадийная. Однако покрытия, полученные при совместном насыщении, характеризуются большей пластичностью.

Титано-борированные стали с СВС-покрытиями обладают улучшенными эксплуатационными свойствами по сравнению с диффузионными аналогами при снижении материальных и энергетических затрат.

Список литературы

1. Химико-термическая обработка металлов и сплавов : справочник / под ред. Л. С.. Ляховича. - М. : Металлургия, 1981. - 424 с.

2. Лабунец В. Ф. Износостойкость боридных покрытий / В. Ф. Лабунец, Л. Г. Ворошнин, М. Ф. Киндрачук. -К. : Технжа, 1989. - 204 с.

3. Шатинский В. Ф. Защитные диффузионные покрытия /

B. Ф. Шатинский, А.И. Нестеренко.- К. : Наукова думка, 1988. - 272 с.

4. Лахтин Ю. М. Поверхностное упрочнение сталей и сплавов / Ю. М. Лахтин // МиТОМ. - 1988. - № 11. - С. 1114.

5. Ворошнин Л. Г. Борирование стали / Л. Г. Ворошнин, Л. С. Ляхович. - М. : Металлургия, 1978. - 239 с.

6. Ворошнин Л. Г. Борирование промышленных сталей и чугунов / Л. Г. Ворошнин. - Минск : Беларусь, 1981. -237 с.

7. Мержанов А. Г. Процессы горения и синтез материалов / А. Г. Мержанов. - Черноголовка : ИСМАН, 1998. -512 с.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

8. Grigor'ev Y.M. SHS coatings / Y.M. Grigor'ev, A.G. Merzhanov // Int. J. of SHS. - 1992 (Vol. 1). - № 4. -P. 600-639.

9. Шефер Г. Химические транспортные реакции / Г. Ше-фер. - М. : Мир, 1964. - 189 с.

10. Беккерт М. Справочник по металлографическому травлению / М. Беккерт, Х. Клемм. - М. : Металлургия, 1979. - 336 с.

11. Применение ЭВМ для термодинамических расчетов металлургических процессов / [Г. Б. Синярев, Н. А. Вато-лин, Б. Г. Трусов, Р. К. Моисеев]. - М. : Наука, 1982. -263 с.

12. Получение борированных покрытий в условиях самораспространяющегося высокотемпературного синтеза / [Б. П. Середа, В. И. Иванов, В. П. Грицай, Ю. И. Усен-ко] // Изв. ВУЗов. Черная Металлургия. - 1998. - № 9. -

C. 57-61.

13. Гурьев А. М. Механизм диффузии бора, хрома и титана при одновременном многокомпонентном поверхностном легировании железоуглеродистых сплавов / А. М. Гурьев, С. Г. Иванов // Упрочняющие технологии и покрытия. - 2011. - № 1. - C. 56-61.

Одержано 06.11.2014

Середа Б.П., Палехова 1В., Середа Д.Б. Застосування процеСв самопоширеного високотемпературного синтезу для поверхневого змщнення конструкцшних сталей титаном i бором

Розглянуто газотранспортну СВС-технологЮ нанесення титано-борованих покриттгв при ргзних способах обробки. Показан результати дослгджень 1х структури i властивостей. Наведенi поргвняльнг дат експлуатацшних характеристик СВС-покриттiв i ïx дифузшних аналогiв.

Ключовi слова: самопоширений високотемпературний синтез, газотранспортна теxнологiя, газотранспортш xiмiчнi реакци, теплове самозапалення, титано-боридш покриття, дифузшне насичення, титано-бороваш сталi.

Sereda B., Palekhova L, Sereda D. Application of processes of self-propagating high temperature synthesis for the superficial work-hardening construction steels with titan and boron

Gas-transport SHS- technology of causing of the titanic-boron coverings is considered at the different ways of treatment. The results of researches of their structure and properties are shown. Comparative data of operating descriptions of the SHS-coverings and their diffusive analogues are given.

Key words: self-propagating high-temperature synthesis, gas-transport technology, gas-transport chemical reactions, thermal spontaneous ignition, titanic-boron coverings, diffusive satiation , titanic-borated steels.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.