CC BY
56
АГТГ^Г: г^щтштптг? /ОД7
-3 (57), 2010 /
7he influence of boron carbide as fine-dispersed material input into the melt on structure morphology, founding, technological and exploitation characterisstics of cast iron-boron material is shown.
Н. Ф. НЕВАР, БНТУ
УДК 621.141.25
ВЛИЯНИЕ МЕЛКОДИСПЕРСНОГО КАРБИДА БОРА НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА ЖЕЛЕЗОБОРИСТОГО СПЛАВА
Практически во всех отраслях промышленного производства существует насущная потребность в материалах как литых, так и полученных в результате прокатки с высокими триботехниче-скими характеристиками. Изделия из таких материалов эксплуатируются в абразивных и гидроабразивных средах, сопряженных с кавитационны-ми и кислотными воздействиями. Следует однако отметить, что применение литых деталей и изделий позволяет значительно снижать производственные издержки. В настоящее время для изготовления таких изделий в основном используются высоколегированные стали и чугуны. Так, например, для деталей, работающих в условиях интенсивного износа, сопровождающегося циклическими ударными нагрузками, широко применяется сталь 110Г13Л аустенитного класса с высокой износостойкостью. Она имеет следующий химический состав: 0,9-1,3% С, 11,5-14,5% Mn, не более 0,5% Si, 0,03% Д 0,03% S, 0,2% &. Для нее наилучшим соотношением С и Mn считается 1:10. Основным характерным свойством такой стали является ее способность к достаточно мощному деформационному упрочнению. Наличие данного фактора обусловливает высокую износостойкость изделий из стали при их работе в условиях износа, сопряженного с динамическими воздействиями. Некоторые исследователи связывают такие свойства не только с влиянием деформационного упрочнения, но и с происходящим в это же время мартенситным превращением аустени-та [1].
Для деталей и изделий, работающих в условиях интенсивного износа, достаточно широкое распространение получили высокохромистые чугу-ны ИЧХ12М, ИЧХ34, ИЧХ28Н2 и др. [2]. В своей структуре данные сплавы содержат достаточно крупные карбидные включения. Вследствие этого их применение в основном ограничивается изго-
товлением деталей и изделий для работы в условиях достаточно жесткого износа, но без значительных ударных воздействий. Так, например, в особо жестких условиях наибольшей износостойкостью, в том числе и против кавитационного износа, обладают мартенситные чугуны типа ни-хард и высокохромистые с содержанием хрома более 12% и молибдена 0,8-1,6%. При таких составляющих в структуре чугунов образуются комплексные карбиды типа МеуС3, которые в основном и определяют структуру и свойства мартенсита, а следовательно, и отливок из этих сплавов. Следует отметить, что изучение износа выявило достаточно много противоречащих друг другу факторов. Износостойкость находится в сложной зависимости от количественного соотношения и распределения твердой (в своей основе хрупкой) фазы и наличия в то же время достаточно мягкой пластичной составляющей. Наиболее оптимальным для рассматриваемых сплавов будет распре -деление твердой фазы в пластичной в соответствии с принципом Шарпи. Пластичная металлическая основа должна достаточно прочно удерживать хрупкую (в основном карбидную), при этом равномерно распределенную фазу, и не позволять ей выкрашиваться.
На износостойкость различного рода сплавов при воздействии абразивных сред оказывают превалирующее воздействие их микроструктура, ее характерные особенности и свойства. По отношению к чугуну основные структурные составляющие по возрастанию микротвердости располагаются в следующем порядке: графит, феррит, перлит, аустенит, мартенсит, цементит, карбидные фазы хрома, ванадия, вольфрама и других элементов, различные соединения боридов. Причем, как следует из анализа существующих данных по таким видам сплавов, немаловажное, если не определяющее значение имеет размерный фактор
248/
Аитмиг/^шити
3 (57), 2010-
или дисперсность составляющих структуру фаз. Уменьшение структурной неоднородности способствует измельчению составляющих матрицу отливки фаз.
В работе показано влияние карбида бора как мелкодисперсного материала, вводимого в расплав, на морфологию структуры, литейные, технологические и эксплуатационные свойства литого железобористого материала. Следует отметить, что карбид бора в основном используется в промышленности как абразивный материал, а также при необходимости проведения химико-термической обработки является составляющим компонентом насыщающей смеси для получения поверхностного покрытия на черных сплавах. Такое покрытие в основном служит для повышения триботехнических характеристик изделий, работающих в сложных эксплуатационных условиях.
Проведенный анализ существующих данных по карбиду бора позволил получить данные о растворимости бора в твердом углероде (табл.1).
Таблица 1
г, °с 1800 2000 2200 2350 2400 2500
Св, ат.% 1,0 1,5 3,05 2,35 2,2 2,0
На участках твердый раствор углерода в боре + В13С2 и В4С + ВтСп образуются две эвтектики, плавящиеся при 1900 и 2130 °С [3].
Энтальпия образования и изменение свободной энергии Гиббса при образовании карбида бора приведены в табл. 2.
Таблица 2
Т, К 298,15 400 500 600 700 723
ЬНт, кДж/моль 1260,1 1260,5 1260,4 1253,3 1255,0 1254,5
кДж/моль 1188,6 1164,1 1140,0 1115,7 1092,2 1086,4
Параметры решетки твердого раствора бора в углероде линейно зависят от состава: параметр а возрастает, а параметр с уменьшается с увеличением концентрации бора. В твердом боре растворяется 0,1-0,2 ат.% углерода (рис. 1).
В системе С-В имеются три карбида: В12С3 или (В4С), образование которого происходит по перитектической реакции при температуре 2250 °С; В13С2, конгруэнтно плавящийся при 2450 °С, и фаза ВтСп предположительного состава ВС2.
Промышленным способом карбид бора может быть получен синтезом из элементов карботерми-ческим восстановлением борного ангидрида, маг-нийтермическим восстановлением борного ангидрида в присутствии углерода, восстановлением хлорида бора водородом также в присутствии углерода, осаждением из газовой фазы, состоящей из ВС13, СС13 и Н2. Благодаря высокой абразивной способности карбид бора применяют при шлифовании и полировании твердых материалов. Изделия из карбида бора можно получать с применением горячего прессования при повышенных температурах и давлениях. При введении в расплав в качестве борсодержащего компонента карбида бора происходит диффузия бора в расплав и активное взаимодействие составляющих боро-носителя с кислородом. Это приводит к образованию мелкокристаллической, равномерно распределенной по объему матрицы расплава структуры, в состав которой входят равномерно распределенные мелкодисперсные включения железобористой и карбоборидной фазы (рис. 2).
Данный фактор можно объяснить тем, что вводимый порошкообразный карбид бора имеет различные по размерам составляющие от 100 Нм и выше до 10 мкм. В результате этого взаимодействия при температурах, соответствующих температурам плавления низко-, и среднеуглеродистых
Рис. 1. Диаграмма состояния системы С-В
Рис. 2. Микроструктура железобористого сплава с карбидом бора
сталей, в расплаве происходит формирование таких фаз, как мелкодисперсный твердый раствор внедрения бора в а-железо и замещения в у-железо, а также боридных фаз FeВ и Fe2B, цементита типа Feз(CB), в котором, согласно многочисленным литературным данным, содержится до 80% бора.
Введение порошкообразного карбида бора приводит к созданию в структуре мелкоизмель-ченной фазы типа структуры Шарпи. Такое влияние данного борсодержащего компонента можно объяснить с точки зрения его гранулометрического состава и температуры плавления. Как показывают результаты проведенных экспериментов, при введении порошкообразного карбида бора в составе сплава отмечается превалирующее наличие карбидной фазы. Характер ее распределения по телу отливки в некоторой мере зависит от условий введения порошкообразного карбида бора и интенсивности перемешивания расплава.
Проведенный микроструктурный и рентгено-структурный анализ подтверждает наличие бо-ридных составляющих в образующемся расплаве. В их состав, согласно данным рентгеноструктур-ного анализа (табл.3), входят карбидные, карбо-боридные и боридные фазы.
Такой конгломерат из фаз, обладающих высокими показателями микротвердости, твердости и износостойкости, равномерно распределенных
АГТГ^Г: г^щтштптг? /9Д0
-3 (57),2010 /
Таблица 3
Номер линии I a/n Фаза HKL
1 0,05 3,9919 B4C 003
2 Ср. сл. 2,5506 Fe2B 200
3 Ср. 2,2492 Fe3(CB) 210
4 Ср. сл. 2,1301 Fe2B 002
5 Ср. 2,0802 Fe3C 211
6 1,00 2,0198 a-Fe 110
7 Ср. сл. 1,968 Fe3C 211
8 0,03 1,6232 B4C 306
9 0,15 1,4347 a-Fe 200
10 Сл. 1,3656 Fe2B 222
11 0,03 1,2604 B4C 306
12 Ср. 1,1816 Fe2B 411
13 0,10 1,1702 B4C 119
14 0,1 1,1171 a-Fe 220
в матрице расплава, позволяет получать литые изделия с необходимыми эксплуатационными свойствами [4].
Таким образом, проведенные исследования позволяют сделать следующие выводы.
1. При введении мелкодисперсного карбида бора расплав приобретает равномерно распределенные по телу отливки структурные составляющие.
2. В структуре отмечается наличие карбидных, карбоборидных и боридных фаз.
3. Соответственно с отмеченными структурными изменениями наблюдается значительное улучшение микротвердости составляющих фаз, твердости, износостойкости сплава.
Литература
1. Л а х т и н Ю. М. Основы металловедения. М.: Металлургия, 1988.
2. К а р п е н к о М. И., М а р у к о в и ч Е. И. Износостойкие отливки. Мн.: Наука и техника, 1984.
3. Л я к и ш е в Н. П., П л и н е р Ю. Л., Л а п п о С. И. Борсодержащие стали и сплавы. М.: Металлургия, 1984.
4. Н е в а р Н. Ф. и др. Борсодержащий сплав, его свойства и промышленное применение // Литье и металлургия.2005. № 2. Ч. 2. С. 174-178.
