CC BY
0И.Г. Сизов, д-p техн. наук, проф.
И.П. Полянский, инженер, e-mail: i.polyansky@mail.ru У.Л. Мишигдоржийн, канд. техн. наук, ст. науч. сотрудник Д.Н. Шадрин, студент Т.В. Нагорный, студент Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления, г. Улан-Удэ
УДК 669 - 15:621.793.6
ВЛИЯНИЕ ХИМИКО-ТЕРМОЦИКЛИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА БОРОАЛИТИРОВАННОГО СЛОЯ
В статье приведены результаты исследований по влиянию химико-термоциклической обработки на формирование бороалитированного слоя на стали 20 и У12. Исследованы различные режимы термоциклирования. Установлена скорость охлаждения и нагрева образцов в обмазках. Проведен металлографический анализ, измерена микротвердость бороалитированных слоев. Показано, что на высокоуглеродистых сталях химико-термоциклическая обработка приводит к измельчению и округлению кристаллов борного цементита в переходной зоне.
Ключевые слова: химико-термоциклическая обработка, бороалитирование в обмазках, термо-циклирование, микротвердость.
I.G. Sizov, Dr. Sc. Engineering, Prof. I.P. Polyansky, Engineer U.L. Mishigdorzhiyn, Cand. Sc. Engineering D.N. Shadrin, student T.V. Nagorny, student
INFLUENCE OF CHEMICAL TREATMENT THERMOCYCLIC ON STRUCTURE AND PROPERTIES BORONALLYUMINISING LAYERS
The results of investigation of the chemical-thermocycling treatment influence upon formation of the boroaluminized layer on steels 20 and U12 are presented in the paper. Different modes of thermocycling are investigated. The rate of cooling and heating of the samples in the pastes are set. Metallographic analysis, microhardness measurement of boroaluminized layers are conducted. It is shown that the chemical-thermocy-cling treatment leads to formation offine structure and rounding crystal boron cementite in the transition zone in the high-carbon steel.
Key words: chemical-thermocicling treatment, boroaluminising in pastes, thermocycling, microhard-
ness.
Введение
Химико-термическая обработка (ХТО) является одним из наиболее эффективных и широко применяемых в промышленности методов повышения надежности и долговечности ответственных деталей машин, инструмента и технологической оснастки.
По сравнению с другими методами поверхностной обработки металлов (дробеструйный наклеп, накатка роликами, индукционная, газопламенная и электролитная закалка, лазерная обработка и т.д.) химико-термическая обработка, часто уступая им в производительности, имеет ряд существенных преимуществ [ 1].
Авторы выражают признательность за помощь в проведении экспериментов и обсуждении результатов исследований сотрудникам Института материаловедения Технического университета г. Дрездена (TUD):
1. Leyens Christoph - Dr.-Ing., Prof., Inhaber der Professur für Werkstofftechnik;
2. Vetter Birgit - Dr.-Ing., Oberingenieur, Professur für Werkstofftechnik;
3. Habisch Kerstin - Studentin.
ХТО можно подвергать детали любых размеров и конфигураций. Как правило, детали сложной конфигурации подвергать поверхностному упрочнению иными методами (например, накатка роликами или закалка ТВЧ) весьма сложно или вообще невозможно.
Диффузионное насыщение стали обычно проводят при высокотемпературной изотермической выдержке, что чаще всего приводит к сильному перегреву, резко ухудшающему механические свойства сталей. Стальная основа становится очень хрупкой, плохо выдерживает динамические нагрузки и непригодна для изделий ответственного назначения.
Основные недостатки изотермической ХТО можно устранить при совмещении этого процесса с термоциклической обработкой (ТЦО). Химико-термоциклическая обработка (ХТЦО) позволяет интенсифицировать процесс химического насыщения. Возникающие при ХТЦО структурные изменения ускоряют диффузию атомов в насыщаемый металл, так же ХТЦО позволяет не допустить перегрев (крупнозернистость) и другие дефекты структуры, получаемые при высокотемпературной ХТО.
Цель работы заключалась в исследовании формирования структуры и свойств бороали-тированных слоев на углеродистых сталях, полученных в результате бороалитирования в условиях изотермического и термоциклического нагрева.
Материалы и методы исследования
Обработку проводили на образцах из сталей 20 и У12 размерами 10*10*5 мм. На образцы наносили обмазку состава (вес, %): 78 - В4С; 18 - А1; 4 - КБ [2,3]. Толщина обмазки составляла 4-6 мм. Изотермическую и термоциклическую обработку проводили при 950 °С, общее время процессов составляло 4 ч. Скорость охлаждения на воздухе и нагрева образцов между циклами составила 1,6 и 0,4 град/с соответственно, количество циклов - 4, 8 и 16 (рис. 1).
а б в
Рис. 1. Режимы термоциклирования: а - 4 цикла; б - 8 циклов; в - 16 циклов
Металлографический анализ проводили с использованием оборудования Института материаловедения Технического университета г. Дрездена (TUD). Микротвердость определяли на микротвердомере ПМТ-3М. Рентгеноспектральный микроанализ проводили на растровом электронном микроскопе JSM-6510LV JEOL с системой микроанализа INCA Energy 350 в Центре коллективного пользования «Прогресс» ВСГУТУ.
Результаты исследования и их обсуждение
В результате изотермического и термоциклического бороалитирования на поверхности стали 20 были получены диффузионные слои конгломератного [4] типа (рис. 2). В алитиро-ванной части слоя, состоящей из алюминидов железа, располагаются бориды железа иглообразной формы, направленные перпендикулярно или под углом до 70-80° к основе металла. Распределение кристаллов бора в слое неравномерно, существуют участки с большей или меньшей концентрацией боридов. При ХТЦО не происходит роста зерна основного металла, так как термоцикликлическая обработка сокращает время нахождения металла при высокотемпературной выдержке.
Микротвердость по глубине слоя после изотермической и термоциклической обработок по режиму с 4 циклами составляет 450 - 500 НУ, что соответствует алюминидам БеЛ1 и БезЛ1. После обработки по режимам с 8 и 16 циклами микротвердость увеличивается до 800 -850 НУ, что соответствует алюминидам БеЛ1з и Бе2ЛЬ [5]. Микротвердость игольчатых кристаллов, расположенных в основном слое, составляет 2500 - 2700 НУ, что соответствует микротвердости борида железа БеБ [5].
Рис. 2. Микроструктуры бороалитированных слоев на стали 20, ><400: а - изотермический нагрев; б - термоциклирование 4 цикла; в - термоциклирование 8 циклов; г - термоциклирование 16 циклов
При бороалитировании стали У12 на поверхности образуется иная структура диффузионного слоя, состоящая преимущественно из алитированной части (рис. 3). При изотермической выдержке бор образует соединения карборидов в виде разнонаправленных зубчатых кристаллов, располагающихся в переходной части слоя. После обработки по режиму с 4 циклами кабобориды имеют форму «мозаичной» структуры. С увеличением количества циклов карбо-риды образуются в виде округлых кристаллов.
После обработки стали У12 по изотермическому режиму максимальная твердость составляет 1000 - 1300 HV по всей глубине слоя, что близко по микротвердости к дибориду железа Fe2B, а после режима с 4 циклами микротвердость на поверхности слоя составила 1700 HV, далее микротвердость резко падает до 500 - 650 HV. После обработки по режимам с 8 и 16 циклами микротвердость составляет 900 - 1000 HV, далее снижается до 400 - 700 HV и затем снова увеличивается до 850 HV в области округлых кристаллов борного цементита, находящихся в переходной зоне.
Согласно [6-8] формирование таких слоев происходит по следующему механизму: в связи с тем, что атомный радиус бора (Rb = 0,08 нм) меньше, чем атомный радиус алюминия (Rai = 0,143 нм), вначале идет образование боридной зоны слоя. Формирование бороалитиро-ванного слоя на низкоуглеродистых сталях начинается с образования твердого раствора бора в железе, затем при превышении предела растворимости бора появляются кристаллы фазы Fe2B, из которых впоследствии формируется сплошной слой в виде «цепочки» кристаллов.
в г
Рис. 3. Микроструктуры бороалитированных слоев на стали У12, *1000: а - изотермический нагрев; б - термоциклирование 4 цикла; в - термоциклирование 8 циклов; г - термоциклирование 16 циклов
На высокоуглеродистых сталях помимо твердого раствора и борида Fe2B образуется фаза Fез(B, С). В результате вытеснения углерода диффундирующими элементами с поверхности и самодиффузии железа образуется зона с повышенным содержанием углерода, который находится в виде фазы FeзC. Впоследствии часть атомов углерода в решетке цементита замещается бором [9].
Раннее установлено [10], что структура округлых кристаллов борного цементита, образующаяся при термоциклировании на высокоуглеродистых сталях, оказывает положительное воздействие на механические свойства, в частности на износостойкость, так как при трении поверхности не происходит выкрашивания кристаллов из основы металла.
С увеличением количества циклов наблюдается уменьшение глубины слоя на всех сталях (рис. 4), так же уменьшается размер карбоборидов на стали У12 в переходной зоне с 13-15
до 4-5 мкм 120
(рис. 5).
4 8
Количество циклов
■ Сталь 20 СтальУ12
Рис. 4. Глубина бороалитированного слоя в зависимости от способа обработки
Рис. 5. Размер карбоборидов на стали У12 в зависимости от способа обработки
Заключение
Установлено влияние количества циклов на формирование бороалитированных слоев в условиях термоциклического нагрева. В качестве ХТЦО для низкоуглеродистой стали можно рекомендовать режим с 8 циклами, так как при обработке по режиму с 4 циклами не образуются фазы с высоким содержанием алюминия, а при режиме с 16 циклами свойства слоя не меняются в отличие от 8 циклов, однако происходит уменьшение глубины слоя. На высокоуглеродистых сталях ХТЦО способствует измельчению и округлению кристаллов борного цементита в переходной зоне. Кроме того, ХТЦО оказывает положительное влияние на структуру основного металла.
Работа выполнена при финансовой поддержке гранта «Молодые ученые ВСГУТУ-2015».
Библиография
1. Ворошнин Л.Г., Менделеева О.Л., Сметкин В.А. Теория и технология химико-термической обработки. - М.: Новое знание; Минск: Новое знание, 2010. - 304 с.
2. Пат. 2459011 Ф, МПК С23С 8/72 Обмазка для бороалитирования стальных изделий / И.Г. Сизов., И.П. Полянский, У.Л. Мишигдоржийн, Д.М. Махаров; заявитель и патентообладатель ВосточноСибирский государственный университет технологий и управления. (№ 2011125888/02). - Заявл. 23.06.2011; опубл. 20.08.2012, Бюл. № 23. - 8 с.: ил.
3. Сизов И.Г., Полянский И.П., Мишигдоржийн У.Л. и др. Влияние состава насыщающих обмазок на структуру и свойства бороалитированного слоя // Обработка металлов, технология, оборудование, инструменты. - 2013. - №1 (58), январь-март. - С. 22-26.
4. Бельский Е.И., Ситкевич М.В., Понкратин Е.И. и др. Химико-термическая обработка инструментальных материалов. - Минск: Наука и техника, 1986. - 247 с.
5. Рябов В.Р. Алитирование стали. - М.: Металлургия, 1973. - 240 с.
6. Крукович М.Г., Прусаков Б.А., Сизов И.Г. Пластичность борированных слоев. - М.: ФизМат-Лит, 2010. - 384 с.
7. Сизов И.Г., Мишигдоржийн У.Л., Махаров Д.М. Исследование термоциклического бороалитирования углеродистых сталей // Металловедение и термическая обработка металлов. - 2011. - №12. - С. 22-27.
8. Sizov I.G., Mishigdorzhiyn U.L., Leyens Ch. et al. Influence of thermocycle boroaluminizing on strength of steel C 30 // Surface Engineering. - 2014. -N 30 (2). - P. 129-133.
9. Воинов Б.А. Износостойкие сплавы и покрытия. - М.: Машиностроение, 1980. - 120 с.
10. Мишигдоржийн У.Л. Разработка технологии термоциклического бороалитирования углеродистых сталей: дис. ... канд. техн. наук. - М., 2012. - 171 с.
Bibliography
1. Voroshnin L.G., Mendeleeva O.L., Smetkin V.A. Theory and technology of thermochemical treatment. Novoye znanie. - Minsk, 2010. - 304 p.
2. Patent 2459011, MPK C23C 8/72 RF Paste for steel items boroaluminizing / I.G. Sizov, I.P. Polyan-skiy, U.L. Mishigdorzhiyn, D.M. Makharov.
3. Sizov I.G., Polyansky I.P., Mishigdorzhiyn U.L. et al. Influence of the composition of saturating pastes on the structure and properties of the boronaluminising layers // Treatment of metals, technology, equipment, tools. - 2013. - N 1 (58), January-March. - P. 22-26.
4. Belsky E.I., Sitkevich M.V., Ponkratin E.I. et al. Thermochemical Treatment of Tool Materials. -Minsk: Nauka i Tekhnika, 1986. - 247 p.
5. Ryabov V.R. Aluminizing of Steels. - M.: Metallurgiya, 1973. - 239 p.
6. Krukovich M.G., Prusakov B.A., Sizov I.G. Plasticity of borated layers, - M.: FizMatLit, 2010. -
384 p.
7. Sizov I.G., Mishigdorzhiyn U.L., Makharov D.M. A study of termocicling boronaluminizing of carbon steel // Metal Science and Heat Treatment. - 2011. - N 12. - P. 22-27.
8. Sizov I.G., Mishigdorzhiyn U.L., Leyens Ch. et al. Influence of thermocycle boroaluminizing on strength of steel C 30 // Surface Engineering. - 2014. N 30 (2). - P. 129-133.
9. Voinov B.A. Wear Resistant Alloys and Coatings. Mashinostroenie. - M., 1980. - 120 p.
10. Mishigdorzhiyn U.L. Development of technology thermocycling boronaluminizing carbon steels: Diss. ... Sciences. - М., 2012. - 171 p.
