Сравнение структуры и свойств диффузионного слоя сталей в литом и деформированном состоянии после термоциклирования при химико-термической обработке Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

СРАВНЕНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ ДИФФУЗИОННОГО СЛОЯ СТАЛЕЙ В ЛИТОМ И ДЕФОРМИРОВАННОМ СОСТОЯНИИ ПОСЛЕ ТЕРМОЦИКЛИРОВАНИЯ ПРИ ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКОЙ

ОБРАБОТКЕ

Гурьев А.М.

Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова, профессор

Барнаул, Россия

Уханьский текстильный университет, профессор

г. Ухань, Китай Власова О.А.

Алтайский государственный технический университет им.И.И.Ползунова, к.т.н.

Барнаул, Россия Иванов С.Г.

Алтайский государственный технический университет им.И.И.Ползунова, к.т.н., докторант

Барнаул, Россия Гармаева И.А.

Алтайский государственный технический университет им.И.И.Ползунова, к.т.н., докторант

Барнаул, Россия Мэй Шунчи

Уханьский текстильный университет Директор Государственной Цифровой Лаборатории текстильного оборудования провинции Хубэй

г. Ухань, Китай Лю Чао

Уханьский текстильный университет, аспирант

г.Ухань, Китай

COMPARISON OF THE STRUCTURE AND PROPERTIES OF THE DIFFUSION LAYER OF STEELS IN CAST AND STRAIN STATE AFTER THERMAL CYCLING IN CHEMICAL HEAT

PROCESSING

Guriev A.M.

Altai state technical University, Professor, Barnaul, Russia;

Wuhan Textile University, China;

Vlasova O.A.

Altai state technical University, Senior Lecturer

Barnaul, Russia Ivanov S.G.

Altai state technical University, doctoral student

Barnaul, Russia Garmaeva A.I.

Altai state technical University, doctoral student

Barnaul, Russia

Mei Shunqi

Wuhan Textile University, Professor

China

Director of Government Key Laboratory of Digital Textile Equipment of Hubei Province, China

Liu Chao

Wuhan Textile University, PhD student Wuhan, China

АННОТАЦИЯ

Исследована структура диффузионных боридных слоев на штамповой стали 5ХНВ в литом и деформированном исходном состоянии, полученная в условиях изотермического насыщения и в условиях, когда насыщение велось при циклическом изменении температуры. Показано, что циклический нагрев и охлаждение значительно ускоряют кинетику процесса ХТО железоуглеродистых сплавов вне зависимости от

SCIENCES OF EUROPE # 14 (14), 2017 | TECHNICAL SCIENCES_83

их исходного состояния. Установлено, что диффузия по границам зерен является главным механизмом карбоборирования за исключением наружного слоя, где решающим фактором является реакционная диффузия.

ABSTRACT

The investigated structure the diffusion of the boride layers on cast and deformed steels. The structure obtained in the isothermal saturation in conditions where the saturation was carried out under cyclic temperature change. It is shown that the cyclic heating and cooling significantly accelerate the kinetics of the process XTO iron-carbon alloys, regardless of their initial state. It is established that diffusion along the grain boundaries is the main mechanism of bonding with the exception of the outer layer, where the decisive factor is reaction diffusion.

Ключевые слова: сталь, диффузия, борирование, химико-термическая обработка, термоциклирова-

ние.

Keywords: steel, diffusion, bonding, ^emical-heat treatment, thermocycling.

В процессе эксплуатации наиболее интенсивно подвергаются температурно-силовым воздействиям поверхностные слои деталей и инструмента, поэтому структура и свойства поверхностных слоев оказывает важное влияние на их работоспособность. С этой точки зрения представляет интерес повышение износостойкости деталей машин и инструмента методами химико-термической обработки (ХТО) [1, 2].

Недостатками процессов традиционной ХТО являются их энергоёмкость и продолжительность. Диффузионное насыщение поверхности стали чаще всего производят при высокотемпературной изотермической или изотермически-ступенчатой выдержке с полной перекристаллизацией стали в аустенитное состояние. Это приводит к перегреву -структура и механические свойства, кроме твёрдости и износостойкости, ухудшаются. Есть и другие недостатки в технологии ХТО с высокотемпературной выдержкой в процессе насыщения: коробление ползучести, высокая энергоёмкость и т.д.

Указанные недостатки можно устранить при диффузионном насыщении поверхности сплава в режиме термоциклирования. Химико-термическая обработка сталей при некоторых циклически изменяющихся температурных режимах (ХТЦО) более эффективна, чем при постоянной температуре насыщения [3 - 5].

Изготовление инструмента различными методами литья приводит к сокращению расхода дорогостоящей инструментальной стали и снижению себестоимости инструмента. Литой инструмент к тому же обладает повышенной износостойкостью. Поэтому широкое применение литейных технологий является весьма перспективным направлением в инструментальном производстве [6].

В настоящей работе представлены результаты исследования структуры и микротвердости инструментальных штамповых сталей в деформированном (5ХНВ) и литом состоянии (5ХНВЛ) после их химико-термической обработки.

Установлено, что истинная картина структуры феррито-перлитной стали подвергнутой диффузионному борированию более сложная, чем предполагалось в ранее опубликованных результатах исследований, а переходную зону следует называть

карбоборидной. Фазовый состав внутри всей карбо-боридной (переходной) зоны не меняется. Однако механизм формирования в различных ее участках (слоях) различен [7, 8 ].

Как показали исследования, проведенные методами рентгеноструктурного анализа оптической и электронной микроскопии, фазовый состав и объемная доля фаз по мере продвижения вглубь образца меняется. Наиболее наглядно расположение этих фаз видно на рис. 1. На рисунке 2 показано распределение концентрации бора по слою боридов.

Бориды Fe2B и FeB образуются путем реакционной диффузии вслед за движущейся межфазной границей, которая смещается в глубь a-Fe.

Исследования структуры стали с исходным литым состоянием показали, что направленная кристаллизация привела к существенным качественным изменениям в структуре стали. Бор более активно проникает при таком строении на большую глубину и в больших количествах. В частности, фазовый состав на глубине 2,5 мм в первом образце содержит один карбоборид железа Me23(C,B)6, в то время как во втором образце присутствуют два кар-боборида - Me3(C,B) и Me23(C,B)6. Установлен следующий фазовый состав:

- на поверхности: a+ Me2B+ MeB+ B4C + Me3(C,B) + Me23(C,B)6

- на расстоянии от поверхности образца 100 мкм: a + Me3(C,B) + Me23(C,B)6

- на расстоянии - 500 мкм: a + Me3C + Me3(C,B) + Me23(C,B)6

- на расстоянии - 2500мкм: a + Me3C + Me23(C,B)6

Чистого (не борированного) цементита даже на глубине 2,5мм после борирования малоуглеродистой литой стали нет, в то время как в первом образце он начал появляться на глубине 500мкм. Кроме того, о более активной диффузии бора в объем материала во втором случае свидетельствует несколько повышенная суммарная плотность границ зерен, как исходных, так и возникающих в процессе борирования. Эти границы служат основными каналами проникновения бора вглубь стали.

Рисунок 1 а - Оптическое изображение поверхности боридного слоя малоуглеродистой стали. Отмечены присутствующие фазы, установленные с помощью метода дифракционной электронной микроскопии. Разрез сделан параллельно поверхности образца на глубине 50 мкм.

Рисунок 1 б - Микроструктура боридного слоя малоуглеродистой стали. Оптическая микроскопия. Разрез сделан перпендикулярно поверхности образца.

Проведенные исследования позволили детально изучить кинетику образования борирован-ного слоя и выявить механизм его формирования на стали.

Кроме борирования литая сталь была подвергнута цементации в течение 5 часов при температуре

950 0С. Толщина диффузионного слоя составила около 1,6 мм, что более чем в два раза превышает результат, полученный при цементации аналогичной стали в деформированном состоянии.

2 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280

Расстояние от поверхности, мкм

Рисунок 2 - Распределение концентрации бора по слою боридов на малоуглеродистой стали

Полученные результаты свидетельствуют о значительно более высокой скорости диффузии углерода и бора (рисунок 3) при химико-термической обработке сталей в литом состоянии по сравнению с деформированными сталями аналогичного химического состава. Из рисунка 3 также видно, что тер-моциклирование во время насыщения бором позволяет получить упрочнённый диффузионный слой

необходимой толщины за более короткое время и с более высокой твердостью.

Установлено, что увеличению скорости диффузии способствует наличие в структуре литой стали зоны столбчатых кристаллов, а основным механизмом диффузии бора в стали является диффузия по границам зерен.

□ Изотермическое борирование

а

б

Рисунок 3 - Распределение микротвердости упрочненного борированием слоя: а - литая сталь 5ХНВЛ, б

- деформированная сталь 5ХНВ

□ Изотермическое борирование □ Термоциклическое борирование

Следует отметить, что новые способы ХТЦО, позволяют проводить диффузионное насыщение поверхностей конструкционных и инструментальных сталей бором и углеродом на стандартном оборудовании любого термического участка. Эти способы ХТЦО совмещены с закалкой в последнем цикле, последующий отпуск дает необходимую твёрдость, как «сердцевины», так и поверхности детали, т.е. формирует окончательные свойства изделия.

Выводы

1. Исследована структура диффузионных бо-ридных слоев на штамповой стали 5ХНВ в литом и деформированном исходном состоянии, полученная в условиях изотермического насыщения и в условиях, когда насыщение велось при циклическом изменении температуры. Показано, что циклический нагрев и охлаждение значительно ускоряют кинетику процесса ХТО железоуглеродистых сплавов вне зависимости от их исходного состояния.

2. Установлено, что диффузия по границам зерен является главным механизмом карбоборирова-ния за исключением наружного слоя, где решающим фактором является реакционная диффузия.

Литература

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

2. Ворошнин Л.Г., Ляхович Л.С. Борирование стали. М.: Металлургия, 1978. 239 с.

3. Федюкин В.К., Смагоринский М.Е. Термоциклическая обработка металлов и деталей машин. - Л.: Машиностроение. Ленинград. отд-ние. 1989. -255 с.

4. Руфанов Ю.Г., Бирук Н.Г., Бордюг Г.К., Фо-мичёв О.И. Влияние термоциклической обработки

на структуру и свойства боридного слоя. // МиТОМ. - 1983. - № 12. - С. 13 - 14.

5. Transformation of the phase composition and the mechanism of transition region structuring in a fer-rite-pearlite steel subjected to thermal-cycling borating Gur'ev A.M., Kozlov E.V., Zhdanov A.I., Ignatenko L.I., Popova I.A. Russian Physics Journal. 2001. Т. 44. № 2. С. 183-188.

6. Гурьев А.М. Новые материалы и технологии для литых штампов.- Барнаул: Изд-во АлтГТУ.-2000.-216 с.

7. Гурьев А.М., Козлов Э.В., Игнатенко Л.Н., Попова Н.А. Физические основы термоциклического борирования. - Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2000. - 216с.

8. Transition zone forming by different diffusion techniques in borating process of ferrite - pearlite steels Under the thermocyclic conditions A.M. Guriev, E.V. Kozlov, B.D. Lygdenov, A.M. Kirienko, E.V. Cher-nykh // Фундаментальные проблемы современного материаловедения, №2.- 2004.- С.54 - 60.

9. Особенности формирования диффузионного слоя при термоциклическом борировании углеродистой стали Гурьев А.М., Козлов Э.В., Игнатенко Л.Н., Попова Н.А. В книге: Эволюция дефектных структур в конденсированных средах. Cборник тезисов докладов 5-ой Международной школы-семинара. 2000. С. 149-150.

10. Изменение фазового состава и механизм формирования структуры переходной зоны при термоциклическом карбоборировании феррито-перлитной стали Гурьев А.М., Козлов Э.В., Крымских А.И., Игнатенко Л.Н., Попова Н.А. Известия высших учебных заведений. Физика. 2000. Т. 43. № 11. С. 60.

11. Изменение фазового состава и механизм формирования структуры переходной зоны при термоциклическом борировании феррито-перлитной стали Гурьев А.М., Козлов Э.В., Жданов А.Н.,

Игнатенко Л.Н., Попова Н.А. Известия высших учебных заведений. Физика. 2001. № 2. С. 58.

12. Термоциклическое и химико-термоциклическое упрочнение сталей Гурьев А.М., Ворошнин Л.Г., Хараев Ю.П., Лыгденов Б.Д., Земляков С.А., Гурьева О.А., Колядин А.А., Попова О.В. Ползу-новский вестник. 2005. № 2-2. С. 36-43.

13. Особенности формирования структуры диффузионного слоя на литой стали при химико-термической обработке Гурьев А.М., Лыгденов Б.Д., Махаров Д.М., Мосоров В.И., Черных Е.В., Гурьева О.А., Иванов С.Г. Фундаментальные проблемы современного материаловедения. 2005. Т. 2. № 1. С. 39-41.

14. Циклическое тепловое воздействие при термической и химико-термической обработке инструментальных сталей Гурьев А.М., Ворошнин Л.Г., Хараев Ю.П., Лыгденов Б.Д., Черных Е.В. Фундаментальные проблемы современного материаловедения. 2005. Т. 2. № 3. С. 37-45.

15. Особенности формирования структуры диффузионного слоя и разработка технологии упрочнения литых инструментальных сталей с учетом дендритной ликвации Лыгденов Б.Д., Гурьев А.М., Гармаева И.А., Мижитов А.Ц., Мосоров В.И. Фундаментальные проблемы современного материаловедения. 2006. Т. 3. № 3. С. 84-86.

16. Исследование процессов диффузии в стали при циклическом тепловом воздействии Гурьев А.М., Хараев Ю.П., Гурьева О.А., Лыгденов Б.Д. Современные проблемы науки и образования. 2006. № 3. С. 65-66.

17. Распределение атомов бора и углерода в диффузионном слое после борирования стали 08кп Гурьев А.М., Лыгденов Б.Д., Мосоров В.И., Инхеев Б.С. Современные наукоемкие технологии.

2006. № 5. С. 35-36.

18. Термоциклическое борирование как метод повышения прочности инструментальных сталей Гурьев А.М., Власова О.А., Лыгденов Б.Д., Гармаева И.А., Кириенко А.М., Иванов С.Г., Кошелева Е.А. Ползуновский альманах. 2007. № 1-2. С. 85.

19. Диффузионное термоциклическое упрочнение поверхности стальных изделий бором, титаном и хромом Гурьев А.М., Лыгденов Б.Д., Иванов С.Г., Власова О.А., Кошелева Е.А., Гармаева И.А., Гурьев М.А. Фундаментальные проблемы современного материаловедения. 2007. Т. 4. № 1. С. 3035.

20. Повышение прочности диффузионных кар-боборидных покрытий термоциклированием в процессе их получения Власова О.А., Иванов С.Г., Гурьев М.А., Кошелева Е.А., Гурьев А.М. В сборнике: НАУКА И МОЛОДЕЖЬ - 2007 (НиМ - 2007) Материалы IV Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "Наука и молодежь - 2007" (НиМ-2007).

2007. С. 110-112.

21. Способ упрочнения деталей из конструкционных и инструментальных сталей Гурьев А.М., Иванов С.Г., Лыгденов Б.Д., Земляков С.А., Власова О.А., Кошелева Е.А., Гурьев М.А. патент на изобретение RUS 2345175 03.04.2007.

22. Способ упрочнения деталей из штамповых сталей Гурьев А.М., Иванов С.Г., Земляков С.А., Власова О.А., Кошелева Е.А., Гурьев М.А. патент на изобретение RUS 2360031 18.07.2007

23. Физические основы химико-термоциклической обработки сталей Гурьев А.М., Лыгденов Б.Д., Попова Н.А., Козлов Э.В. Барнаул, 2008.

24. Фазовый состав и механизм образования диффузионного слоя при борировании сталей в условиях циклического теплового воздействия Гурьев A.M., Лыгденов Б.Д., Власова О.А., Иванов С.Г., Козлов Э.В., Гармаева И.А. Упрочняющие технологии и покрытия. 2008. № 1. С. 20-27.

25. Новый способ диффузионного термоциклического упрочнения поверхностей железоуглеродистых сплавов Гурьев А.М., Лыгденов Б.Д., Иванов С.Г., Власова О.А., Кошелева Е.А., Гурьев М.А., Земляков С.А.З. Ползуновский альманах. 2008. № 3. С. 10-16.

26. Интенсификация процессов химико-термической обработки металлов и сплавов Гурьев A.M., Лыгденов Б.Д., Власова О.А. Фундаментальные исследования. 2008. № 8. С. 10.

27. Исследование влияния различных факторов при борировании на механические свойства стали с применением математической модели Гар-маева И.А., Лыгденов Б.Д., Гурьев A.M., Власова О.А. Упрочняющие технологии и покрытия. 2008. № 10. С. 30-32.

28. Исследование процессов диффузионного насыщения сталей из смесей на основе карбида бора Иванов С.Г., Гурьев A.M., Кошелева Е.А., Власова О.А., Гурьев М.А. Современные наукоемкие технологии. 2008. № 3. С. 33.

29. Способ упрочнения стальных деталей Гурьев А.М., Иванов С.Г., Власова О.А., Кошелева Е.А., Гурьев М.А., Лыгденов Б.Д. патент на изобретение RUS 2381299 12.05.2008.

30. Оптимизация химико-термоциклической обработки стали 30Х Кошелева Е.А., Иванов С.Г., Гурьев A.M., Власова О.А., Бруль Т.А. Фундаментальные исследования. 2008. № 2. С. 108-109.

31. Влияние циклического теплового воздействия на формирование структуры и фазового состава диффузионных боридных слоев инструментальных сталей Гурьев А.М., Грешилов А.Д. Фундаментальные проблемы современного материаловедения. 2009. Т. 6. № 3. С. 70-84.

32. Совершенствование технологии химико-термической обработки инструментальных сталей Гурьев А.М., Лыгденов Б.Д., Власова О.А. Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). 2009. № 1. С. 14-15.

33. Оптимизация химического состава насыщающих смесей при диффузионном борировании инструментальных сталей Кошелева Е.А., Гурьев А.М. Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2009. № 5. С. 76-77.

34. Комплексное диффузионное упрочнение тяжелонагруженных деталей машин и инструмента Гурьев М.А., Иванов С.Г., Кошелева Е.А., Иванов А.Г., Грешилов А.Д., Гурьев А.М., Лыгденов Б.Д.,

Околович Г.А. Ползуновский вестник. 2010. N° 1. С. 114-121.

35. Способ изготовления и упрочнения деталей из чугунов и сталей Гурьев А.М., Иванов С.Г., Гурьев М.А., Земляков С.А., Грешилов А.Д., Иванов А.Г. патент на изобретение RUS 2440869 10.11.2010.

36. Фазовые превращения и структура комплексных боридных покрытий Иванов С.Г., Гарма-ева И.А., Андросов А.П., Зобнев В.В., Гурьев А.М., Марков В.А. Ползуновский вестник. 2012. № 1-1. С. 106-108.

37. Исследование фазового состава и дефектного состояния градиентных структур борирован-ных сталей 20Л, 45, 55 И 5ХНВ Лыгденов Б. Д., Гар-маева И.А., Попова Н.А., Козлов Э.В., Гурьев А.М., Иванов С.Г. Фундаментальные проблемы современного материаловедения. 2012. Т. 9. № 4-2. С. 681-689.

38. Диффузионные покрытия сталей и сплавов / А. М. Гурьев, С. Г. Иванов, И. А. Гармаева. - Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2013. - 221 с.

39. Термоциклирование. Структура и свойства / Лыгденов Б.Д., Хараев Ю.П., Грешилов А.Д., Гурьев А.М. - Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2014. - 252с.

40. Phase composition of gradient structures on carbon steels after boronizing Lygdenov B.D., Guriev A.M., Butukhanov V.A., Mei Sh., Zhou Q. В сбор-

нике: External fields processing and treatment technology and preparation of nanostructure of metals and alloys. Book of the International seminar articles. Ed. by V. Gromov. 2014. С. 154-160.

41. Борирование малоуглеродистой стали / Гурьев А.М., Лыгденов Б. Д., Гурьев М.А., Шунчи М., Власова О.А. Raleigh, North Carolina, USA: Lulu Press, 2015. 141p.

42. Chemicothermal Treatment of Tool Materials. A. M. Gur'ev, S. G. Ivanov, M. A. Gur'ev, E. V. Cher-nykh, T. G. Ivanova // Steel in Translation, 2015, Vol. 45, No. 8, pp. 555-558.

43. Перспективные диффузионные покрытия / Б.Д. Лыгденов, А.М. Гурьев, В.И. Мосоров, В.А. Бутуханов. Raleigh, North Carolina, USA: Lulu Press, 2015. 131p.

44. Химико-термическая обработка материалов для режущего инструмента. Гурьев А.М., Иванов С.Г., Гурьев М.А., Черных Е.В., Иванова Т.Г. Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. 2015. Том 58. № 8. С. 578 - 582.

45. Перспективные методы получения упрочняющих покрытий / М.А. Гурьев, Е.А. Кошелева, А.М. Гурьев, Б.Д. Лыгденов, О. Галаа. - Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2016. - 182с.

46. Сравнительное исследование насыщающей способности борирующих сред различного состава. Гармаева И. А., Гурьев А. М., Иванова Т. Г., Гурьев М. А., Иванов С. Г. Letters on materials 6 (4), 2016 pp. 262-265.

SYSTEM OPTIMIZATION OF PARAMETERS OF DIAMOND

GRINDING

Yenikieiev A.F.

doctor of technical sciences, reader, Donbas State Engineering Academy, professor

Yevsiukova F.M.

National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute", senior lecturer

Zykov I.S.

candidate of technical sciences, docent, NTU "KhPI", professor

Prihodko O.Y.

candidate of technical sciences, docent, NTU "KhPI", docent

Abramska I.B.

Ukrainian State University of Railway Transport, senior lecturer

ABSTRACT

It is offered the indirect methods for measuring of the roughness of the machined surface of the workpiece and cutting characteristics of the grinding wheel. It is built a three-level multiprocessor system for optimizing the parameters of the diamond grinding process based on these indirect methods as well as the method of coordinate-wise control and the principle of deviation control. It is developed mathematical models of hardware of the system taking into account the uncertainty factors which are caused by interference and inaccuracies in the measurement of input signals. It is built the schemes of computer modeling of processes of transformation of input information by hardware.

Keywords: multiprocessor system, hardware, indirect measurements, computer simulation.

Introduction. The use of well-known means of automation of the diamond grinding process (DG) has a goal to reduce the processing time of the surface of the workpiece and get a predetermined roughness. Traditional technologies are focused on the maintenance of

grinding modes by the one-dimensional computer system, which stores its data bank in the form of the processing program of the party details. The software doesnt use the information about the production quality of the machined surface of the workpiece, as to re-