CC BY
206
УДК 621.785.5 ;621.793
СОСТАВ, СТРУКТУРА И СВОЙСТВА ИЗНОСОСТОЙКИХ ПОКРЫТИЙ, ПОЛУЧЕННЫХ НА СТАЛЯХ 65Г И 50ХГА ПРИ СКОРОСТНОМ ТВЧ-БОРИРОВАНИИ
Н.М. Мишустин, В.В. Иванайский, А.В. Ишков
ФГОУ ВПО «Алтайский государственный аграрный университет», г. Барнаул E-mail: olg168@rambler.ru
Осуществлено скоростное борирование (1...2 мин) поверхности сталей 65Г и 50ХГА на глубину до 800 мкм при ТВЧ-нагреве образцов, покрытых составами на основе плавленого боратного флюса для индукционной наплавки П-0,66, карбида бора, аморфного бора и различных активаторов. С помощью методов рентгенофазового, микрорентгеноспектрального анализа и металлографических исследований установлены состав и строение получающихся покрытий. Исследовано распределение микротвердости покрытий по глубине и определена их износостойкость.
Ключевые слова:
Борирование, ТВЧ-нагрев, бор, карбид бора, железо-боридная эвтектика, почвообрабатывающие органы сельхозтехники.
Key words:
Borating process, RFC-heating, boron, carbide of boron, iron-boric eutectic, soil-cultivating instruments of agricultural machinery.
Введение
Для улучшения физико-механических характеристик поверхности различных деталей, их поверхностного упрочнения, повышения срока службы в машиностроения широко применяются методы химико-термической обработки, заключающиеся в одновременном воздействии на стальные поверхности температурных градиентов и веществ, химически реагирующих с материалом детали [1]. Среди таких процессов особое место занимают технологии насыщения поверхностного слоя сталей бором - борирование. При борировании на поверхности стальной детали получают протяженные (до 500...800 мкм) слои, отличающиеся высокой твердостью и прочностью, стойкостью к коррозии, абразивной стойкостью и высоким сопротивлением изнашиванию [2]. Однако большинство из известных процессов борирования (печное, газовое, электролитическое) длительны, трудоемки, не автоматизированы и плохо встраиваются в технологические схемы современных производств [3].
Интенсификация процессов химико-термической обработки и, в частности, борирования, может осуществляться с применением технологий кратковременного, высокоскоростного нагрева поверхности стальной детали с нанесенным на нее борирующим составом токами высокой частоты (ТВЧ-борирование) до температур образования новых фаз и эвтектик (1100... 1350 °С) в системах Бе-Б, Бе-Б-С и Бе-Ме-Б-С, где Ме - это легирующий элемент из группы Сг, Мп, N1 и т. п. [3]. Ранее нами были рассмотрены физико-химические и некоторые технологические основы получения бо-ридных покрытий на легированных сталях при их скоростном борировании [4], а также ихис-пользование для увеличения срока службы почвообрабатывающих органов сельхозтехники [5]. Для дальнейшего совершенствования нового процесса скоростного ТВЧ-борирования требуется систематическое исследование структуры и свойств образующихся износостойких покрытий на различных
сталях, а также происходящих при ТВЧ-борирова-нии тепло- и массообменных процессов.
Целью настоящей работы являлось исследование состава, структуры, износостойкости и твёрдости покрытий, полученных на сталях 65Г и 50ХГА при скоростном ТВЧ-борировании.
Экспериментальная часть
Объектом исследования были выбраны образцы из легированных углеродистых сталей 65Г и 50ХГА (ГОСТ 14959-79). В качестве борирующих агентов использовали технический карбид бора В4С по ГОСТ 5744-85 и аморфный бор квалификации «х.ч.». В качестве флюса использовали состав для индукционной наплавки (флюс П-0,66), состоящий из прокаленной буры, борного ангидрида, силико-кальция и сварочного флюса АН-348А, взятых в соотношении, мас. %: 30 - №2В407, 20 - В203, 10 - Са8і2 и 40 - АН-348А. Активаторами борирова-ния служили СаБ2 и КИ4СІ квалификации «х.ч.».
Борирующие смеси, содержащие флюс, агент борирования и активатор, свободно наносили на образцы размером 30x50x3 мм с поверхности которых, предварительно была удалена окалина механическим способом (шлифованием), вырубленные из стали, и закрепляли на них с помощью жидкого стекла или казеинового клея (1,5...2 %), вводимых в состав за счет уменьшения количества флюса.
Нагрев подготовленных образцов осуществляли в петлевом водоохлаждаемом медном индукторе диаметром 160 мм, подключенном к высокочастотному ламповому генератору ВЧГ 7-60/0,066. Настройка контура и геометрия индуктора обеспечивали нагрев исследуемых образцов до температуры
1300...1350 °С в течение 40...60 сек, с последующей выдержкой при заданной температуре. После выдержки при указанной температуре в течение определенного времени образцы вынимались из индуктора, и остывали на спокойном воздухе до температуры 20 °С.
Элементный состав покрытий устанавливали с помощью микрорентгеноспектрального анализа (растровый электронный микроскоп Philips SEM 515, микроанализатор EDAX ECON IV - оборудование ТРЦКП ТГУ, г. Томск). У полученных покрытий исследовали микроструктуру и толщину борированного слоя (травление - 5%-й спиртовой раствор HNO3, металлографический микроскоп МИМ-7), микротвердость (твердомер ПМТ-3, нагрузка 50, 100 г), фазовый состав (дифрактометр ДрОН-6, рассеянное Co-^-излучение, скорость углового перемещения образца 1 град/мин - оборудование ПНИЛ СВС АлтГТУ им. И.И. Ползуно-ва», г. Барнаул), и интенсивность изнашивания (ГОСТ 23.208-79, ГОСТ 23.224) при трении о нежестко закрепленные абразивные частицы электрокорунд зернистостью 16-П по (ГОСТ 3647-80) с относительным содержанием влаги не более 0,15 %.
Результаты и их обсуждение
В предварительных экспериментах при нанесении на очищенную стальную поверхность только одного борирующего агента (В4С или Ваморфн), ее индукционном нагреве до 1200...1300 °С ираз-личном времени выдержки, нами были получены лишь островковые двухфазные (FeB + Fe2B) борид-ные покрытия толщиной 5...15 мкм, что не удовлетворяет требованиям, предъявляемым к почвообрабатывающим органам [6]. Для лучшего раскисления, удаления окисных пленок и перевода твердофазного процесса в квазижидкостное борирование в состав борирующих обмазок был введен плавленый флюс для индукционной наплавки П-0,66, приготовленный по методике, описанной в [3]. Состав исследованных смесей приведен в табл. 1.
Известно, что когда температура борирования превышает 1100...1200 °С, вследствие начинающихся процессов роста и распада зёрен основных фаз, распад и диспропорционирование карбидов и другие аналогичные процессы в сталях, скорости бори-рования возрастают в 2...4 раза при увеличении температуры на каждые 15...20 °С, и процесс переходит из диффузионной стадии в стадию химической реакции. Так при температуре 1200... 1300 °С, по данным [7-9], удается за несколько минут получить толщину однофазного боридного слоя до
0,2...0,4 мм, при этом нагрев детали осуществляется специальной термитной смесью.
Таблица 1. Состав борирующих смесей, мас. %
Смесь Борирующий агент Активатор Флюс П-0,66
I B4C (90) - 10
1а B4C (84) NH4Cl (6) 10
II B4C (84) - 16
Па B4C (90) CaF2 (5) 5
III В (90) - 10
Ша B (90) CaF2(5) 5
Было установлено, что при скоростном ТВЧ-нагреве образцов из стали 65Г и 50ХГА, покрытыми борирующими составами при выбранных параметрах процесса (7=1200...1300 °С, выдержка 1 мин), образуются покрытия, по внешнему виду напоминающие наплавленный твердый сплав. Их рентгенофазовый и микрорентгеноспектральный анализ показал присутствие следующих фаз: а-Бе, БеБ и Бе2Б (с выраженным преобладанием Бе2Б), то есть при ТВЧ-нагреве легированных углеродистых сталей под слоем флюса П-0,66, содержащего от 84 до 90 % борирующих агентов на их поверхности, образуются сложные боридные покрытия.
Для выяснения фазового состава и структуры полученных слоев, а также состояния боридов в них были получены микрофотографии травленых шлифов (рис. 1-3).
Как видно из рис. 1, при выбранных температурных условиях и времени борирования структура и состояние границы полученных износостойких слоев на стали 65Г отличаются, но во всех случаях, в отличие от классических боридных иглообразных двухфазных слоев, на поверхности образуется более стойкая в условиях тяжелого абразивного, знакопеременного и ударного износа пластичная боридная эвтектика с выраженной (а, в) или диффузионной (б) границей. Изменений структуры основного металла из-за перегрева не наблюдается [8].
На образцах из стали 65Г за 1 мин при ТВЧ-нагреве образуются боридные покрытия трех типов. Так, для смесей, содержащих в качестве борирующе-го агента одинаковое количество карбида бора, схожее количество флюса и отличающихся только нали-
чием активатора (КИ4С1, СаБ2), способствующего усилению обратимых диффузионных процессов, особенно при низких температурах, в начале процесса борирования, наблюдается образование зернистой эвтектической структуры со следовыми включениями фазы Бе2Б. Микротвердость такого покрытия не выше 700...750 НУ, толщина слоя до 100 мкм, и наблюдается четко различимая граница раздела покрытия с основным металлом (рис. 1, а).
Для смеси II без активаторов, в покрытии наблюдается выраженный рост дендритов, островов и друз фазы БеБ в матрице из Бе2Б и железо-бо-ридной эвтектики, микротвердость покрытия достигает 1100...1250 НУ, толщина слоя до 200 мкм. Покрытие характеризуется диффузной границей раздела с основным металлом (рис. 1, б).
Самыми реакционноспособными оказались смеси на основе аморфного бора (рис. 1, в), так в смеси Ша, содержащей дополнительно 5 % активатора СаБ2 и 5 % флюса, за 1 мин толщина слоя составила 600...750 мкм, при микротвердости
2200...2300 НУ. Основная структура представляет собой переплавленную гомогенизированную желе-зо-боридную эвтектику с включением, в качестве основной фазы БеБ, образовавшуюся с такой скоростью, что из расплава при его затвердевании не успели выделиться частицы шлака. Покрытие характеризуется наличием выраженной границы раздела с основным металлом.
Боридные покрытия, полученные при ТВЧ-на-греве этих же образцов в течение 1,5 мин имеют иную структуру (рис. 2).
Как следует из рис. 2, при таких условиях бориро-вания образуются структуры двух типов. Так в покрытии, полученном при ТВЧ-нагреве из смеси, содержащей карбид бора и флюс П-0,66 без активаторов, наблюдается разрастание ледебуритоподобной железо-боридной эвтектики, которая имела мелкозернистую структуру на образцах, выдержанных при температуре
1200...1300°С в течение 1 мин, причем состав эвтектики изменяется в более светлых и темных участках. В эвтектической матрице наблюдаются равномерно распределенные замкнутые карбидные области (рис. 2, а). Микротвердость образующегося покрытия
1450...1600 НУ, а толщина - до 300...350 мкм.
Введение в состав борирующей смеси активатора СаБ2 и (или) замена карбида бора более активным Ваморфн приводит к появлению в железо-борид-ной матрице новых фаз - пластинчатых кристаллов смешанных карбоборидов Мп и Бе (рис. 2, б, в). Микротвердость таких покрытий на стали 65Г достигает максимальных значений 2250...2350 НУ, а толщина 600...800 мкм. Покрытия обоих типов имеют сглаженную границу с основным металлом, вызванную его частичным подплавлением, вследствие усиленного прогрева токами высокой частоты и теплом происходящих при борировании химических реакций.
На рис. 3 приведены типичные структуры бо-ридных покрытий, полученных при ТВЧ-нагреве стали 50ХГА под борирующей обмазкой на основе В4С и флюса П—0,66 без активатора (рис. 3, а), и в присутствие 5 % фторида кальция (рис. 3, б). Основой (матрицей) износостойкого покрытия в обоих случаях является железо-боридная эвтектика, однако для этой стали доля более твердых светлых областей в ее объеме значительно меньше, чем на образцах стали 65Г, борированных в течение 1 и 1,5 мин.
В структурах первого типа (рис. 3, а) в покрытии хорошо видны острова и друзы упрочняющей фазы БеБ, подобные структуре на рис. 1, б. Микротвердость этих участков достигает 2100...2200 НУ, а твердость матрицы, образующейся при ТВЧ-борирова-нии стали 50ХГА составляет 1700...1800 НУ, что на 100...200 ед. выше, чем для стали 65Г, толщина образующегося покрытия наоборот, несколько меньше, и составляет 450...600 мкм. Введение активатора СаБ2 ускоряет процесс, за 2 мин в покрытии не успевают образовываться включения боридов железа, а в железо-боридной матрице видны карбидные области, подобные приведенным на рис. 2, а, однако их площадь и общая доля в структуре заметно меньше (рис. 3, б). Микротвердость такого покрытия
1300...1400 НУ, а толщина - 450...600 мкм.
Проведенный микрорентгеноспектральный анализ позволил установить состав основных фаз износостойких боридных покрытий (на рис. 2 отмечены специальными значками с цифрой), получающихся при ТВЧ-борировании исследованных сталей (табл. 2). Как следует изданных табл. 2, в состав основной матричной и упрочняющих фаз всех исследованных покрытий, помимо железа и бора входит углерод, причем его доля колеблется от 13,4 до 28 мас. %, что отвечает углеродным фазам от цементита и карбоборидов Бе до специальных карбидов и специальных карбоборидов Бе, Мп и Сг. Такой состав фаз в полученных покрытиях хорошо согласуется с известной диаграммой состояния тройной системы Бе-С-Б, изотермические сечения которой при 900, 1000 и 1080 °С приведены в [10]. Основными равновесными фазами в системе Бе-С-Б при содержании углерода до 25 а бора до 35 мас. %, по данным этой работы, являются ди-борид железа БеБ2, цементит Бе3С, борированный цементит Бе3(С,Б) и специальный борированный карбид Бе23(С,Б)6. В случае же осуществления высокоскоростного процесса ТВЧ-борирования создаются условия для образования метастабильных фаз, фаз переменного состава и твердых растворов бора и углерода в железе (табл. 2). Фазы аналогичные по составу указанные авторами работы [10] были обнаружены и у наших образцов (расчёт брутто-формулы произведён по величинам атомных процентов). В пользу этого свидетельствуют и данные рентгенофазового анализа (идентификация проведена по картотеке JCPDS), объективно подтверждающие существование во всех полученных покрытиях только фазы БеБ2 и ее кристаллохимического димера - Бе2Б4 (рис. 4).
Таблица 2. Результаты микрорентгеноспектрального анализа основных фаз в боридных покрытиях на стали 65Г и 50ХГА
Обозначение фазы, элементы Описание фазы, ее морфология Элемент состав, % Химическая формула
весовой атомный
N-1 1 О в Матрица - серое поле в ледебури-то-подобной эвтектике Ре - 57,25 С - 28,02 В - 14,73 21,72 49,42 28,86 1"еС2,3В1,3
со и- си 1 ГЧ То же Ре - 64,31 С - 22,30 В - 13,38 27,12 43,73 29,15 1"еС1,6В1,1
со и- си 1 Упрочняющая фаза - светлые области эвтектики Ре - 50,63 С - 23,11 В - 26,25 17,24 36,59 46,17 1"еС2,1В2,7
♦ 3 - Ре, Мп(Сг), С, В Упрочняющая фаза - пластинчатые кристаллы или иглы Ре - 64,70 Мп(Сг) -1,21(1,35) С - 23,01 В - 11,08 28,11 0,54(0,62) 46,49 24,87 1"е58МпС96В51 ^8СгС9бВ51
е, 1 т ♦ Упрочняющая фаза - темные замкнутые области Ре - 86,60 С - 13,40 58,15 41,85 Fe1AC
Примечание: * - данные для аналогичной фазыы в покрытии, полученном на стали 50ХГА.
Рис. 4. Рентгенограмма боридного покрытия, полученного на стали 65Г за 1,5 мин из смеси На
Исследование распределения микротвердости полученных покрытий по глубине показало наличие в них, более твердого поверхностного слоя и менее твердого слоя, лежащего под ним, протяженность и характеристики которых различаются (рис. 5). Измерение микротвёрдости проводилось по среднему значению в приделах площади одного отпечатка.
Существование такой слоистой структуры в полученных покрытиях в нашем случае объясняется не наличием двух фаз БеБ и Бе2Б, расположенных в материале друг за другом [7], а различающимся содержанием основной упрочняющей фазы по глубине покрытия. Об этом свидетельствуют как структура полученных покрытий (рис. 1-3), так и зависимость толщины, твердости и износостойкости покрытий, образующихся на почвообраба-
тывающих органах, выполненных в промышленных условиях из сталей 65Г и 50ХГА за различное время из обмазки на основе В4С без активаторов (табл. 3).
Таблица 3. Некоторые свойства износостойких покрытий
Рис. 5. Распределение микротвердости по глубине покрытий, полученных из различных борирующих смесей на стали 65Г за 1 мин
Таким образом, хотя наиболее эффективной в процессе высокоскоростного ТВЧ-борирования оказалась обмазка на основе состава Ша, содержащая аморфный бор, который в присутствии флюса П-0,66 и активатора СаР2 образует с основным металлом самые протяженные и твердые покрытия, однако из-за наличия выраженной границы раздела с основным металлом, наличием в покрытии остатков флюса и высокой стоимости аморфного бора для получения износостойких покрытий при ТВЧ-нагреве следует рекомендовать обмазки на основе составов с карбидом бора и флюса П-0,66 и проведение процесса борирования в течение 1...1,5 мин.
Состав обмазки (В4С:флюс П-0,66), мас. % Материал основы т, мин ь, мкм НУ мг
84:16 65Г 1 260 2300 100
2 280 1060 150
90:10 50ХГА 1 160 1000 200
2 190 1100 300
84:16 50ХГА 1 100 950 600
2 150 1100 300
90:10 65Г 1 280 2150 150
2 350 2200 250
Примечание: т - время выдержки детали в индукторе при 1250...1300 °С; Ь - толщина упрочняющего боридного покрытия; НУ - микротвердость рабочей поверхности, измеренная на ПМТ-3 при нагрузке 100 г; № - весовой износ образца на 10 км м пути при трении о нежестко закрепленные абразивные частицы.
Выводы
1. Введение в состав борирующих обмазок, содержащих В4С, Ваморфн., активаторы МИ4С1, СаР2 плавленного флюса для индукционной наплавки П-0,66 позволяет перевести процесс борирования из твердой в квазижидкую фазу и значительно увеличить его скорость.
2. Показано, что в оптимальных условиях на поверхности сталей 65Г и 50ХГА образуются износостойкие покрытия, состоящие из упрочняющих фаз (цементит, бориды Ре2В и Ре2В4, карбо-бориды Ре и специальные карбиды и карбобо-риды Ре, Мп и Сг), распределенных в матрице железо-боридной эвтектики, с толщиной от 100 до 800 мкм, микротвердостью от 700 до 2350 НУ, износ которых при трении о незакрепленный абразив составляет от 100 до 600 мг на 10000 м пути, в зависимости от природы борирующего агента, состава обмазки, времени выдержки и химического состава стали.
Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РФФИ № 11-08-98016-р_сибирь_а.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Шитов А.Н., Веденеев А.А. Влияние различных факторов на изнашивание рабочих органов почвообрабатывающих машин // Ремонт, восстановление, модернизация. - 2002. -№ 7. - С. 21-23.
2. Сидоров С.А. Технический уровень и ресурс рабочих органов сельхозмашин. // Тракторы и сельскохозяйственные машины. - 1998. - № 3. - С. 29-33.
3. Ткачев В.Н., Фиштейн Б.Ч., Казинцев Н.В., Алдырев Д.А. Индукционная наплавка твердых сплавов. - М.: Машиностроение, 1970. - 184 с.
4. Иванайский В.В., Ишков А.В., Кривочуров Н.Т и др. Влияние природы борирующего агента, флюсов и активаторов на характеристики покрытий, полученных при скоростном бориро-вании легированных сталей // Ползуновский вестник. -2010. - № 3. - С. 201-203.
5. Ишков А.В., Кривочуров Н.Т., Мишустин Н.М. и др. Износостойкие боридные покрытия для почвообрабатывающих орга-
нов сельхозтехники // Вестник Алтайского государственного аграрного университета. - 2010. - № 9. - С. 71-74.
6. Химико-термическая обработка металлов и сплавов / Справочник под редакцией Л.С. Ляховича. - М.: Металлургия, 1981. - 424 с.
7. Ворошнин Л.Г., Ляхович Л.С. Борирование стали. - М.: Металлургия, 1978. - 239 с.
8. Белый А.В., Карпенко Г.Д., Мышкин К.Н. Структура и методы формирования износостойких поверхностных слоев. - М.: Машиностроение, 1991. - 208 с.
9. Гурьев А.М., Козлов Э.В., Игнатенко Л.Н., Попова Н.А. Физические основы термоциклического борирования. - Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2000. - 216 с.
10. Фомичев О.И., Катков В.Ф., Кушнерева А.К. Исследование тройной диаграммы Ре-Ре2В-Ре3С // Журнал физической химии. - 1978. - Т. 52. - № 9. - С. 2240-2243.
Поступила 02.03.2011 г.
