CC BY
19
УДК 621.785 ГРНТИ 53.49.21
СТРУКТУРНАЯ МОРФОЛОГИЯ БОРИРОВАННЫХ СЛОЕВ РАЗЛИЧНОГО _ЦЕЛЕВОГО НАЗНАЧЕНИЯ_
DOI: 10.31618/ESU.2413-9335.2020.6.79.1075 Крукович Марат Григорьевич
Российский университет транспорта (МИИТ) 121994, Москва, ул. Образцова, 9 РУТ(МИИТ)
АННОТАЦИЯ
Проведенное исследование структурной морфологии эффективных борированных слоев направлено на оптимизацию структуры для упрочнения деталей и инструментов, используемых в определенных условиях эксплуатации. Основными направлениями регулирования структурой и свойствами борированных слоев являются составы насыщающих сред и температурно-временные параметры технологии борирования. Рассмотрены основные характеристики борированных слоев и проведен анализ возможных структур, получаемых при различных технологиях. На основании накопленного опыта приведены направления повышения эксплуатационных свойств борированных слоев. В заключении даны рекомендации по применению отдельных структур слоев в конкретных условиях эксплуатации упрочненных деталей и инструментов.
ABSTRACT
The study of the structural morphology of effective borated layers is aimed at optimizing the structure for strengthening parts and tools used in certain operating conditions. The main directions of regulation of the structure and properties of borated layers are the compositions of saturating media and the temperature-time parameters of the borating technology. The main characteristics of the borated layers are considered and the analysis of possible structures obtained by various technologies is carried out. On the basis of the accumulated experience, directions of increasing the operational properties of borated layers are given. In conclusion, recommendations are given on the use of individual layer structures in specific operating conditions of hardened parts and tools.
Ключевые слова: структурная морфология, борирование, компактный слой, псевдоэвтектическая структура, напряжения, условия эксплуатации, оптимизация, износостойкость, лазерная обработка, электронно-лучевое воздействие.
Key words: structural morphology, bonding, compact layer, pseudo-eutectic structure, heterogeneous layer, stresses, operating conditions, optimization, wear resistance, laser treatment, electron-beam exposure.
Высокие эксплуатационные свойства борированных слоев определяют их применение для упрочнения деталей и инструментов, работающих во всевозможных условиях [1, 2]. При этом повышение эксплуатационной стойкости обеспечивается от 2-ух и более раз. В то же время для оптимизации сочетания структуры слоя и условий его применения (условий работы упрочненных деталей и инструментов) не всегда имеется достаточных оснований для такого выбора. Поэтому целью данной работы является анализ структурной морфологии борированных слоев, предназначенных для использования в различных условиях эксплуатации.
Свойства боридов определяются типом связей атомов в кристаллической решетке и ее строением.
Однако, свойства борированных слоев, помимо природных свойств боридов, определяются комплексно фазовым составом и соотношением фаз, особенностями строения структуры слоя, которые возникают в результате прохождения диффузионных процессов [3], а также видом напряжений на поверхности и напряженным состоянием упрочненной детали в целом (Рис.1).
Борированию могут подвергаться практически все стали и сплавы. При этом процесс нанесения защитного борированного слоя обычно совмещают с нагревом под традиционные виды термической обработки: закалку, высокий отпуск, старение, отжиг и нормализацию.
Свойства борированных слоев
Компактная, игольчатая скрытно -игольчатая
Крупные включения боридов в а -
твердом растворе
Псевдоэвтектическая, дисперсная
Эвтекти-
ческая
Однородная,
твёрдый
Двухфазный (БеБ + Бе2Б + подслой)
Однофазный
Многофазный (а -тв. р-р. + бориды)
а - твердый раствор
Методы получения
Группа пластичности
Напряжения скола, МПа
Вид
структуры
Фазовый состав
. 1 ' ^ Лс ' ' 1 1 г
Очень Сильна Слабая Очень Нет Нет Качественна
сильна я (С) (Сл.) слабая я оценка
я (О.Сл.) текстурован-
Уровень остаточных напряжений сжатия, МПа
Вид
подложки
Концентрация ^ бора на
поверхности при обработке, % по массе
Рис. 1 Основные характеристики свойств борированных слоев.
(К указанным нетрадиционным методам борирования относятся осажденные слои с применением гальваностегии, электрофореза, физического (ГУБ) или химического (СУБ) осаждения и т.п. Напряжения скола определяли по формуле: Оск = 0.174-Р / (2-12 + Ы), где Р - нагрузка на индентор при измерении микротвердости; I - минимальное расстояние от центра отпечатка до края образца, при котором не происходит скалывание боридного слоя; с - диагональ отпечатка.)
Такое совмещение возможно, так как технология борирования по температуре обработки разделена на три температурные интервала [4]:
- низкотемпературное борирования (550 -7270С);
- среднетемпературное борирование (730 -9000С);
- высокотемпературное борирование (900 -12000С).
В каждом температурном интервале используют свои технические приемы и насыщающие смеси. Общим для всех насыщающих
сред является присутствие бора в ионном или атомарном состояниях в избыточном количестве. Массоперенос бора к обрабатываемой поверхности обеспечивается субионами бора (ионами низших валентностей) за счет окислительно-восстановительных реакций в насыщающей среде и на обрабатываемой поверхности. В некоторых случаях атомы бора, находящиеся в насыщающей среде в непосредственной близости от обрабатываемой поверхности, могут образовывать связи с металлической поверхностью и участвовать в формировании борированного слоя за счет непосредственного контакта.
Концентрация бора на поверхности задает фазовый состав диффузионного слоя в соответствии с диаграммой состояния Fe - В. При борировании железа в среде, обеспечивающей концентрацию бора на обрабатываемой поверхности менее 8.34% по массе, образуются слои на основе Fe2B + а твердый раствор с твердостью до 18000 МПа. При концентрациях бора от 8.34 до 16.25 % - слои на основе FeB + Fe2B + подслой (а - твердый раствор) с твердостью до 22500 МПа. Слои на основе а - твердого раствора с твердостью до 1000 МПа могут быть образованы на железе и сталях при концентрациях на поверхности < 0.02 % В по массе.
Формирование структуры борированных слоев начинается в процессе нагрева, когда температура поверхности достигает определенной величины (~ 450 оС) и зависит от степени «загрязнения» поверхности (наличия окисной пленки, осажденных металлов или соединений и т.п.), скорости осаждения на нее бора, скорости зарождения кристаллитов боридов и их роста в процессе выдержки и заканчивается этапом охлаждения после процесса упрочнения или во время проведения окончательной термической обработки деталей.
Таким образом, путем выбора соответствующего материала детали, состава насыщающей среды и температуры насыщения обеспечивается получение борированных слоев с различной морфологией и свойствами:
- компактных однофазных (Fe2B) или двухфазных (FeB + Fe2B) слоев на основе легированных и нелегированных боридов
различной степени игольчатости, толщиной до 0.2 мм (Рис. 2, а);
- слоев на основе а - твердого раствора и включений боридов с характерным эвтектическим строением (с зебраобразным рисунком распределения фаз), толщиной ~ 1.0 мм (Рис. 2, б);
- слоев на основе а - твердого раствора и включений боридов, распределенных в высокодисперсном виде в твердом растворе (псевдоэвтектическое строение), толщиной 0.5 -1.5 мм (Рис. 2, в);
- слоев с поликанальной структурой боридов или с новой ориентацией боридов в виде «китайских иероглифов» после дополнительной электронно-лучевой обработки, толщиной ~ 0.35 мм (Рис. 3);
- компактных слоев с карбоборидами в подслое, толщиной до 0.2 мм (Рис. 4, а);
- слоев с разобщенными боридами, толщиной до 0.25 мм (Рис. 4, б);
- слоев с фрагментированной наноразмерной структурой боридов после лазерной обработки, толщиной ~ 0.35 мм (Рис. 4, в);
- легированных слоев с иглами боридов и а - твердым раствором, толщиной до 0.25 мм.
Износостойкость слоев зависит от степени игольчатости, дисперсности и
фрагментированности боридов в композиционных структурах борированных слоев. При использовании концентрированных источников энергии продолжительность локальной обработки составляет от нескольких секунд до десятков минут.
Рис. 2 Морфология борированных слоев. а) компактный слой боридов, х250; б) эвтектическое строение слоя, х150; в) псевдоэвтектическое строение слоя, х150.
Рис. 3 Поликанальная структура борированного слоя после электроннолучевой обработки (Руд=2.9*104 Вт/см2; Тобр=1050 - 11000С, при разном увеличении): а) 50 с, х250; б) 50 с, х500.
Рис. 4 Игольчатое строение борированных слоев с карбоборидами (а), с разобщенными боридами (б), с наноразмерной фрагментированной структурой (в), с а - твердым раствором (г).
Продолжительность обработки существенно зависит от температуры процесса насыщения. В частности, при низкотемпературном борировании она составляет 20 - 40 ч, при среднетемпературном - 10 - 15 ч, при высокотемпературном - 1.5 - 6 ч.
Общими взаимосвязанными путями снижения хрупкости боридных фаз является их оптимальное микролегирование и создание благоприятного напряженного состояния. Эти пути реализуются следующими технологическими мероприятиями:
- микролегированием слоя из обрабатываемого материала или из насыщающей среды;
- снижением содержания в слое хрупкой высокобористой фазы БеБ;
- предварительной обработкой поверхности, которая заключается в осаждении на нее N1, 81, А1 и др.;
- установлением оптимальных температурно-временных условий;
- проведением ступенчатого режима по температуре, электрическим и технологическим параметрам;
- применением концентрированных источников энергии;
- назначением толщины боридного слоя, соответствующей допустимому ее значению для выбранной марки стали;
- скоростью охлаждения после насыщения;
- проведением дополнительной обработки получаемых боридных слоев;
- проведением окончательной термической и механической обработки.
Снижение напряжений в слое боридов, помимо применения отмеченных технологических мероприятий, может быть также обеспечено: получением слоя с разобщенными боридными иглами; обеспечением оптимального соотношения боридных фаз; регулированием степенью текстурованности слоя боридов; регулированием толщиной сплошного слоя и степенью игольчатости боридов (плотностью слоя и степенью заострения игл боридов).
В то же время максимальный эффект обеспечивается боридными и борированными слоями с определенным запасом пластичности и слоями с композиционной структурой. Так как зарождение и рост боридов и формирование композиционной структуры борированного слоя происходит в твёрдом, жидкокристаллическом и жидком состояниях обрабатываемой поверхности при реализации диффузионного и диффузионно-кристаллизационного механизмов, то это является еще одним рычагом управления структурой и свойствами слоев.
Следует заметить, что служебные свойства борированных слоев определяются совокупностью свойств боридов и подслоя. Наибольшую роль подслой играет при высоких удельных давлениях во время эксплуатации. Термическая обработка борированных деталей создает твердую подложку для слоя боридов и предохраняет его от
продавливания, а также формирует напряженное состояние детали. В этом случае требуется корректировка температуры нагрева под закалку с учетом изменившегося химического состава подслоя (содержания углерода перед иглами боридов превышает исходную концентрацию в стали в 1.5 - 1.7 раза) с целью получения оптимального комплекса свойств детали.
Определенное значение имеет
термоупрочненный подслой и для процессов изнашивания. Так, например, за счет более высокой твердости и присутствия карбоборидов он обеспечивает дальнейшую повышенную износостойкость детали по сравнению с износостойкостью сердцевины после изнашивания слоя боридов. Подслой оказывает также значительное влияние на характер развития термоусталостных трещин борированных деталей и инструментов, поскольку является преградой на пути развития трещин. Окончательное формирование подслоя происходит при нагреве под последующую термическую обработку.
Легированные и нелегированные однофазные слои (Fe2B) показали высокую работоспособность при упрочнении штампов для горячей обработки металлов давлением (толщина рекомендуемого слоя 0.2 мм), при упрочнении вырубных штампов (толщина рекомендуемого слоя 0.12 мм) и других инструментов. Для формообразующих штампов холодной обработки металлов давлением наилучшую работоспособность обеспечивают компактные двухфазные слои на основе FeB + Fe2B, толщиной до 0.2 мм.
Наиболее износостойкими борированными слоями при знакопеременном нагружении являются псевдоэвтектические слои, толщиной до 1.5 мм, содержащие ~ 70 % дисперсных боридов, и слои с разобщенными боридами, толщиной до 0.25 мм. Для условий абразивного изнашивания деталей следует рекомендовать компактные двухфазные слои на основе FeB + Fe2B либо эти же слои, легированные О", W, Т^ Zr, Mo, толщиной до 0.2 мм.
Для работы в некоторых коррозионных средах наиболее подходят однофазные слои на основе
Fe2B, имеющие минимальную электрохимическую гетерогенность и толщину сплошного слоя не менее 0.1 мм.
Для более конкретных условий эксплуатации деталей и инструментов оптимизацию структурной морфологии следует проводить экспериментально.
Выбор во многом определяется объемом упрочняемых деталей, видом стали или сплава, точностью изготовления деталей и шероховатостью рабочих поверхностей, необходимостью применения последующей термической обработки, наличием
соответствующего оборудования и химреактивов, квалификацией обслуживающего персонала, экономическими и экологическими факторами.
Список литературы
1.Ляхович Л.С., Ворошнин Л.Г., Косачевский Л.Н., Карпенко Д.П., Крукович М.Г. Опыт внедрения борированного штампового инструмента и технологические особенности процесса. В сб. «Производство и исследование быстрорежущих и штамповых сталей» УкрНИИспецсталь. - М.: Металлургия, 1970. С. 134 - 139. [Ljahovich L.S., Voroshnin L.G., Kosachevskij L.N., Karpenko D.P., Krukovich M.G. Opyt vnedrenija borirovannogo shtampovogo instrumenta i tehnologicheskie osobennosti processa. V sb. «Proizvodstvo i issledovanie bystrorezhushhih i shtampovyh stalej» UkrNIIspecstal'. - M.: Metallurgija, 1970. S. 134 - 139. (In Russ).]
2.Ворошнин Л.Г., Ляхович Л.С. Борирование стали. - М.: Металлургия, 1978. - 240 с. [Voroshnin L.G., Ljahovich L.S. Borirovanie stali. - M.: Metallurgija, 1978. - 240 s. (In Russ).]
3.Krukovich M.G. Technology to Improve the Performance Properties of Heterogeneous Boronized Layers. Materials Performance and Characterization 9, no. 3 (2020): 329-338. https://doi.org/10.1520/MPC20190091
4.Крукович М.Г., Прусаков Б.А., Сизов И.Г. Пластичность борированных слоев. - М.: Физматлит, 2010. - 384 с. [Krukovich M.G., Prusakov B.A., Sizov I.G. Plastichnost' borirovannyh sloev. - M. : Fizmatlit, 2010. - 384 s. (In Russe).]
АНАЛИЗ ПОТЕРЬ ТЕПЛА ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ МАЛОЭТАЖНОГО ЖИЛОГО ДОМА
РР1: 10.31618/Б8и.2413-9335.2020.6.79.1074 Маклакова Светлана Николаевна
старший преподаватель кафедры строительных конструкций Викулов Иван Андреевич магистрант 2-го года обучения Скородумова Анастасия Александровна магистрант 2-го года обучения ФГОУ ВО Костромская ГСХА, Костромская область, Костромской район, пос. Караваево, Учебный городок, 20
АННОТАЦИЯ
В настоящее время наблюдается тенденция бурного развития малоэтажного и индивидуального строительства. При строительстве жилого дома основным вопросов является снижение потерь тепла в отопительный период, а также снижение затрат на отопление. Этого можно достигнуть путем выбора правильного конструктивного решения ограждающих конструкций, устранение возможных потерь через стыки конструкций, а также правильной технологией выполнения работ. Приведен анализ
