CC BY
106
Материаловедение
УДК 539.213
СТРУКТУРА ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ В СТ 45 ПРИ БОРИРОВАНИИ
А.А. Лукин, О.А. Лукин, И.Ю. Моляков
Исследуются свойства стали 45 при электролизном борировании. Выявлены влияние постоянного и реверсированного токов на фазовый состав и физические свойства стали и причина высокой хрупкости боридных слоев и тре-щинообразования
Ключевые слова: электролизное борирование, структура, фазовый состав
Борирование применяют для повышения износостойкости изделий из металлов и сплавов. Для борированных слоев характерны высокая коррозионная стойкость в ряде агрессивных сред, повышенная окалиностойкость, сохранение высокой твердости при нагреве. Это позволяет использовать бори-рованные изделия в особо жестких условиях эксплуатации: трение скольжения без смазки, абразивное изнашивание, изнашивание в вакууме, при повышенных и высоких температурах, в агрессивных средах.
Борированию можно подвергать любые стали. Борированный слой имеет игольчатое строение и состоит из боридов FeB (на поверхности) и Ре2В. Под слоем боридов располагается переходной слой, состоящий из а-раствора бора в железе. На легированных сталях под слоем сплошных боридов образуется зона а - раствора, боридов железа и легирующих элементов.
Необходимым условием формирования диффузионного слоя является наличие у насыщенной поверхности активного атомарного бора; кроме того, температура и длительность выдержки должны обеспечить протекание диффузии атомарного бора в стали с образованием химических соединений - бо-ридов железа.
Оптимальный режим электролизного бориро-вания реверсированным током наблюдался для периодов реверсирования
Тр та + тк
Тр лежит в пределе 1,2 - 1,9 с. Здесь та - анодный промежуток (полупериод), т.е. время прохождения обратного тока после переключения полярности, тк -катодный промежуток (полупериод), т.е. время прохождения тока в прямом направлении. Для оптимального, т.е. наиболее интенсивного борирования та равна 0,4 - 0,5 с, тк 0,8 - 1,4 с.
Плотность тока в прямом направлении равна 20004000 А/м2, в обратном - 2000 А/м2. В слое толщиной в 25 мкм присутствует 88 % БеБ и 12 % Бе2Б. Феррит отсутствует на поверхности борированной стали.
Лукин Анатолий Александрович - ВГТУ, канд. физ.-мат. наук, доцент, тел. (473) 246-66-47
Лукин Олег Анатольевич - МИИТ, канд. физ.-мат. наук,
доцент, тел. (473) 246-66-47
Моляков Илья Юрьевич - ВГТУ, студент, тел.
(473) 246-66-47
С увеличением глубины количество БеБ уменьшается, а Б2Б увеличивается. Количество БеБ превышает количество Бе2Б даже на глубине 75 мкм. В борированном слое практически нет зон, где сосуществовали бы три фазы: Бе, Бе2Б и БеБ. Феррит сосуществует только совместно с Бе2Б, очевидно там, где иглы борида Бе2Б проникают вглубь металлической матрицы стали. На глубине 125 мкм от поверхности БеБ полностью исчезает и появляются следы феррита. Полностью борид железа Бе2Б исчезает на глубине 160-175 мкм. На этой глубине обнаруживается только феррит.
Полученные данные хорошо коррелируют с изменением микротвердости по глубине диффузионных слоев (рис. 1). Так как борид БеБ имеет максимальную твердость (21000 МПа), то наиболее твердыми оказываются слои от 0 до 80-90 мкм. Слои на глубине от 100 до 140 мкм имеют твердость 17000-16000 МПа, что близко к твердости борида Бе2Б. На глубине 160 и более микрон микротвердость равна микротвердости нормализованной стали 45. На графике Нм = /(И), где И - толщина (глубина) слоя, а Нм - значение микротвердости, имеются резко выраженные спады микротвердости на глубине 90 мкм и 140 мкм, что соответствует исчезновению в диффузионном слое борида сначала БеБ, а затем и Ре2В. ’
Рис. 1. Распределение фаз (а); изменение микротвердости (б) по глубине диффузионного слоя борированной стали
При исследовании диффузионных слоев, полученных из расплава буры с 3 % Та2О5 в течение 1-2 часа, обнаруживаются фазы Бе2Б, БеБ, Бе2Та и TaB2. В связи с разной скоростью диффузии атомов бора и тантала из-за разных величин их атомных радиусов глубина проникновения тантала меньше толщины боридного слоя. В приповерхностном слое формируются фазы Бе2Та и ТаБ2, а под ними последовательно бориды БеБ и Бе2Б [1].
Рис. 2. Рентгенограмма с поверхностного слоя, полученного из расплава буры с 3 % Та2О5
В присутствии углерода переходные металлы могут образовывать с бором только дибориды. Известно, что при нагревании ТаБ в присутствии углерода образуется диборид ТаБ2. Измерение микротвердости по толщине диффузионного слоя танталоборированной стали показывает (рис. 3), что по мере удаления от поверхности вглубь образца микротвердость растет и достигает максимума на глубине 30-40 мкм.
ТаВ; + Ее^Та РеВ + їв; В
Р'е:В + сс-Ге
* 0 50 100 150 200 11,мкм
Рис. 3. Распределение фаз (а) и изменение микротвердости (б) по глубине диффузионного слоя танталоборированной стали
С увеличением глубины от поверхности образца количество Бе2Та уменьшается до нуля, что и приводит к росту микротвердости по мере удаления от поверхности, так как микротвердость фазы Fe2Ta меньше чем боридов. Уменьшение микротвердости на глубине большей 40 мкм обусловлено уменьшением количества БеБ и увеличением количества борида Бе2Б. На глубине 60 мкм борид БеБ исчезает. Следы феррита появляются на глубине 80 мкм. Борид Бе2Б исчезает полностью на глубине 110 мкм. Глубже 110 мкм рентгенографически обнаруживается только одна фаза - феррит [2].
На рис. 4 показано количественное изменение боридов Бе2Б, БеБ и феррита по глубине диффузионного слоя, полученного насыщением постоянным током при температуре 1173 К. Плотность тока менялась ступенчато в диапазоне 1000-6000 А/м2, а длительность насыщения - в пределах 1-3 часа.
д,%_____________________________ ;
>1
а
г" ЯР1
о 3000 6000 КАм:
Д,%
I2 о 3000 6000 КАм:
Рис. 4. Количественное изменение боридов БеБ (а), и Бе2Б (б) по глубине диффузионного слоя в зависимости от величины насыщающего реверсивным (1) и постоянным (2) токами
Анализ приведенных кривых показывает, что при повышении плотности тока в слое увеличивается содержание БеБ как при использовании постоянного тока, так и
реверсированного. При этом зона сплошности борида Бе2Б сужается. И наоборот, понижение плотности тока ведет к уменьшению количественного содержания борида БеБ и
расширению зоны сплошности борида Бе2Б. Применение реверсированного тока по сравнению с постоянным приводит к увеличению в
диффузионном слое доли фазы БеБ [3].
Исследования в настоящей работе показали, что применение реверсированного тока при всех видах насыщения стали из расплавов не влияет на качественный фазовый состав диффузионных слоев. Однако рентгенограммы, снятые с образцов, полученных электролизным способом при применении реверсированного тока, отличаются от таковых для слоев, полученных с помощью постоянного тока. Линии на рентгенограмме, снятой с борированного при постоянном токе образца, выглядят более размытыми, чем на снимках с образцов, борированных реверсированным током (рис. 5).
Рис. 5. Рентгенограммы, снятые с образцов борированных постоянным током (а) и реверсированным током (б)
Сравнение рентгенограмм свидетельствует о более напряженном состоянии структур в образцах, подвергнутых диффузионному насыщению постоянным током. Напряжения, возникающие в слое за счет структурного образования, неравномерного распределения концентрации элементов вдоль поверхности в микрообъемах слоя и вызывают искажения решетки. Применение реверсированного тока создает условия в анодный полупериод для частичной релаксации внутренних напряжений за счет более однородного
распределения элементов, в частности бора, в слое, рассасывания границ смыкания боридных игл [4].
Рентгенографические исследования
борированных постоянным током образцов показали наличие текстуры боридов как БеБ, так и Бе2Б.
С повышением температуры процесса насыщения степень текстуры боридного слоя уменьшается, так как активность диффундирующего бора увеличивается. Более равномерное распределение бора, как вдоль поверхности, так и по глубине слоя при применении реверсированного тока уменьшает степень текстуры боридов железа. Этому способствует также активирование бора в анодный полупериод.
Таким образом исследования борированных слоев позволяют прийти к заключению, что причиной высокой хрупкости боридных слоев и трещинообразования помимо самой природы соединений является совместное действие макро- и микронапряжений, неоднородность боридных слоев, и резкое различие удельных объемов и коэффициентов теплового расширения боридных фаз железа.
Литература
1. Глухов В. П. Боридные покрытия на железе и сталях / В.П. Глухов - Киев, 1970 - 208 с.
2. Борсяков А.С. Морфология и нелинейная самоорганизация боридных фаз в армко-железе. / А.С. Борсяков, В.А. Юрьев, А.П. Котов - Курск, 1999. 6-8 с.
3. Борсяков А.С. Исследование свойств и закономерностей формирования боридных покрытий на металлах и сплавах подгруппы железа/ Борсяков А.С. - Воронеж: ВПИ, 1974, 27 с.
4. Горелик С.С. Рентгенографический и электронно-оптический анализ / С.С. Горелик, Л.Н. Расторгуев, Ю.А. Скаков. М.: Металлургия, 1970. 368 с.
Воронежский государственный технический университет Воронежский филиал Московского института инженеров транспорта
STRUCTURE OF THE SURFACE LAYER IN ARTICLE 45 AT BORATING
A.A. Lukin, О.A. Lukin, I.Ju. Moljakov
Investigate the properties of 45 steel with elektroliznom borirovanii. Identified vlinie permanent and reversed currents on the phase composition and physical properties of steel and the reason for high-layer and crack exposed the fragility of the bor-idnyh
Key words: electrolysis borirovaniye, structure, phase structure
