CC BY
22ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ТЕХНОЛОГИЯ
УДК 621.923
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ СТАЛЕЙ
А.М. ГУРЬЕВ, проф., д-р техн. наук, Б.Д. ЛЫГДЕНОВ, докторант, канд. техн. наук,
О.А. ВЛАСОВА, аспирант, АлтГТУ, И.И. Ползунова, г. Барнаул
Исследуются основные закономерности и механизмы борирования ферритоперлитных сталей. The main laws and mechanisms of borating the hypopearlitic steels are investigated.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: ТЕХНОЛОГИЯ, ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА, ИНСТРУМЕНТАЛЬНАЯ СТАЛЬ.
Химико-термическая обработка (ХТО) является одним из эффективных и широко применяемых в промышленности методов повышения надежности и долговечности ответственных деталей машин, инструмента и технологической оснастки. Различают следующие процессы ХТО: азотирование - насыщение азотом, цементация - насыщение углеродом, нитроцементация (цианирование) - насыщение азотом и углеродом одновременно, алитирование - насыщение алюминием, хромирование - насыщение хромом, борирование - насыщение бором, силицирование - насыщение кремнием, хромоалитирование и хромосилицирование - насыщение соответственно бором и алюминием, хромом и алюминием, хромом и кремнием и т.д.
Однако широкое промышленное применение получили лишь традиционные процессы насыщения: азотирование, цементация, нитроцементация, цианирование. Цинкование, алитирование, борирование, хромирование, силицирование применяют в меньшей мере. Наиболее эффективные антикоррозионные, эрозионно-стойкие, жаростойкие и другие многокомпонентные диффузионные покрытия еще не нашли сколько-нибудь широкого промышленного применения. В то же время именно новым и, как правило, многокомпонентным диффузионным слоям принадлежит будущее. С одной стороны, это обусловлено все возрастающим дефицитом специальных сталей и сплавов; с другой - тем, что традиционные процессы химико-термической обработки уже не обеспечивают тех требований к свойствам, которые предъявляются промышленностью к изделиям, работающим в особо трудных (экстремальных) условиях эксплуатации.
Не существует в настоящее время и четко сформулированной общей теории химико-термической обработки, позволяющей количественно интерпретировать результаты насыщения (фазовый состав, структуру и свойства слоя). Исходя из известных исходных технологических предпосылок (состава насыщающей среды и обрабатываемого сплава, давления в реакционном пространстве, температуры, времени процесса и т.д.) следует, что этот весьма перспективный метод поверхностного упрочнения нуждается в серьезных систематических исследованиях как теоретического, так и прикладного характера.
Диффузионное насыщение поверхности сталей и сплавов чаще всего проводят при высокотемпературной изотермической или изотермически-ступенчатой выдержке с полной перекристаллизацией стали в аустенит-ное состояние. Это приводит к перегреву - структура и механические свойства, кроме твердости и износостойкости, ухудшаются. Недостатками процессов традиционной ХТО являются также их высокая энергоемкость и продолжительность обработки.
Указанные недостатки можно устранить при диффузионном насыщении поверхности сплава в режиме циклического изменения температуры - термо-циклирования (ТЦО). Известен целый ряд способов предварительной термоциклической обработки [1], но выбор режимов ТЦО до сих пор ведется эмпирическим путем. Недостатками этих способов является то, что повышение прочности не сопровождается необходимым высоким уровнем пластичности стали, а также то, что все известные способы достаточно трудоемки и длительны. Противоречивое понимание взаимного влияния различных параметров термоци-клирования (температура в цикле, скорости нагрева и охлаждения, количество циклов, время выдержки и др.) создало предпосылки для применения широкого спектра способов ТЦО, отличающихся не только принципом воздействия, но, что самое главное, различающихся до 20-50 раз энергозатратами для получения нужного результата. Поэтому необходимо дальнейшее, более глубокое изучение известных и разработка новых оптимальных способов термоциклического упрочнения. Высокая износостойкость - это основное свойство, ради которого проводят борирование металлов и сплавов. Износостойкость борированной стали 45 в условиях сухого трения-скольжения выше в 4-6 раз износостойкости цементированных, 1,5-3 раза нитроцементированных, в 3-8 раз цианированных, в 2 раза хромосилицированных, в 4 раза закаленной низкоотпущенной стали 45 [2].
Нами исследованы и описаны основные закономерности и механизмы борирования ферритно-перлитных сталей. Показано, что циклический нагрев и охлаждение значительно ускоряют кинетику процес-
* Здесь и далее изложение доклада на 6-ой научно-практической конференции «Проблемы повышения эффективности металлообработки в промышленности на современном этапе», 28 марта 2008 г., г. Новосибирск
14 № 1 (42) 2009
ТЕХНОЛОГИЯ
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
Влияние вида теплового воздействия при насыщении сталей бором на толщину диффузионного слоя
Марка стали Глубина борированного слоя, мкм (по микротвердости)
Изотермическое борирование (ХТО) Термоциклическое борирование (ХТЦО)
10 75 130
45 68 120
У8 65 100
У10А 60 100
5ХНМ литая 95 160
Х12М 50 60
са ХТО железоуглеродистых сплавов. Установлено, что термоциклирование при борировании приводит к увеличению толщины слоя до 80 % на углеродистых сталях, с увеличением степени легированности эффект снижается с 70 % (литая сталь 5ХНМ) до 20 % (сталь Х12М). С увеличением содержания углерода в стали снижается глубина борированного слоя как после изотермического высокотемпературного бориро-вания, так и после термоциклического борирования (см. таблицу).
Установлено, что формирующиеся в ходе борирова-ния новые границы зерен и субзерен выполняют тройную роль. Во-первых, они служат основным каналом насыщения атомами бора и углерода основных глубинных слоев. Во-вторых, на них локализована большая часть карбо-боридов. В-третьих, на них расположена значительная часть атомов бора и углерода, еще не образовавшихся карбоборидов.
Процесс борирования реализуется независимо от режима однократного нагрева или термоцикли-рования семью механизмами: реакционной диффузией по межфазным границам; диффузией по новым границам зерен; диффузией по старым границам зерен; диффузией вместе с мигрирующими границами; диффузией по субграницам; диффузией по дис-
о -о
□ Изотермическое борирование ■ Термоциклическое борирование
Рис. 1. Распределение микротвердости борированного слоя литой стали 5ХНМ
Рис. 2. Типичная структура (сталь 45) борированного слоя, полученная методом РЭМ, - столбчатые кристаллы борида FeB
локациям: диффузией в бездефектном объеме материала. В режиме термоциклирования эти механизмы действуют наиболее эффективно, но типы механизмов при смене режима обработки материала практически не меняются.
Установлено, что диффузия по границам зерен является главным механизмом борирования за исключением наружного слоя, где решающим фактором является реакционная диффузия.
Новый способ ХТЦО совмещен с закалкой в последнем цикле, последующий отпуск дает необходимую твердость как «сердцевины», так и поверхности детали, т.е. формирует окончательные свойства изделия.
Список литературы
1. Федюкин В.К., Смагоринский М.Е. Термоциклическая обработка металлов и деталей машин. - Л.: Машиностроение. Ленинград. отд., 1989. - 255 с.
2. Ворошнин Л.Г., Ляхович Л.С. Борирование стали. - М.: Металлургия, 1978. - 239 с.
3. Гурьев А.М., Лыгденов Б.Д. // Изв. вузов. Физика. -№ 11. - 2000. - Т. 43. - С. 269 - 270.
№ 1 (42) 2009 15
