CC BY
0У.Л. Мишигдоржийн, аспирант И.Г. Сизов, д-р техн. наук, проф.
Восточно-Сибирский государственный технологический университет Ch. Leyens, Prof. Dr.-Ing.
B. Vetter, Dr.-Ing. T. Fuhrmann, engineer Технический университет, г. Дрезден
УДК 621.785.53
ВЛИЯНИЕ СОДЕРЖАНИЯ УГЛЕРОДА В СТАЛИ НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА БОРОАЛИТИРОВАННОГО СЛОЯ
Исследовано влияние содержания углерода на фазовый состав и микроструктуру бороалитированных слоев. Представлены результаты термодинамических расчетов и испытаний на жаростойкость.
Ключевые слова: бороалитирование, износостойкость, жаростойкость сталей.
U.L. Mishigdorzhiyn, P.G., I.G. Sizov, Dr. Sc. (Engineering), Prof., East-Siberian State University of Technology Ch. Leyens, Dr. Sc. (Engineering), Prof., B. Vetter, Dr. Sc. (Engineering),
T. Fuhrmann, Engineer Technische Universität Dresden
INFLUENCE OF CARBON CONTENT IN THE STEEL ON STRUCTURE AND PROPERTIES OF BORON-ALUMINIZED LAYERS
The article reveals the influence of carbon on the phase composition and microstructure of boron-aluminized layers and presents the results of thermodynamic calculations and tests for heat resistance.
Key words: boron-aluminizing, wear resistance, heat-resistant of steel
Введение
Одним из видов химико-термической обработки является бороалитирование. Бороалитирование -процесс одновременного или последовательного насыщения металлов и сплавов бором и алюминием. Применяется преимущественно для повышения жаростойкости и износостойкости, реже - коррозионной стойкости. Бороалитирование осуществляют различными способами. Наиболее распространенными являются следующие: 1) газовый, в порошках бор- и алюминийсодержащих веществ; 2) в пастах и суспензиях; 3) жидкий [1].
Настоящая работа посвящена исследованию процессов диффузионного насыщения углеродистых сталей в порошковых смесях. Наиболее часто в качестве насыщающей смеси для процесса бороалитиро-вания используют смеси на основе карбида бора (В4С) и алюминия. Использование борного ангидрида (В2О3) вместо карбида бора значительно удешевляет процесс бороалитирования, при сохранении тех же результатов.
Принято считать, что присутствие углерода в насыщаемой стали приводит к уменьшению толщины диффузионного покрытия. Например, уменьшение толщины боридного покрытия на сталях по сравнению с техническим железом объясняется тем, что скорость диффузии бора в сталь гораздо меньшая, чем в техническое железо, поскольку в стали влияние d-уровня атомов a-Бе на процесс диффузии в значительной степени уже нейтрализовано атомами углерода и других примесей [1].
Целью данной работы является исследование влияния содержания углерода в стали на процесс формирования и свойства бороалитированного слоя.
Методика проведения исследований.
Бороалитирование стальных образцов проводили в насыщающей порошковой смеси (70%Al2O3+10%B2O3+20%Al)+2%NaF в тиглях с плавким затвором при температуре 9500С в течение 4-х часов.
В качестве исследуемых материалов были выбраны углеродистые стали марок: Ст3, 45, У8, У10.
Исследование микроструктуры проводили на оптических микроскопах «Leitz Metallux-3» и «Neo-phot-21». Микротвердость определяли на автоматическом микротвердомере 402MVD при нагрузке 0,05 кг. Термодинамические расчеты проводили по программе «Terra» в температурном интервале 650-950°С
при атмосферном давлении. Микрорентгеноспектральный анализ проводили на растровом электронном микроскопе «JSM-6510LV JEOL» с системой микроанализа «INCA Energy 350», исследования фазового состава на рентгеновском дифрактометре «Bruker D8» с детектором «Vantec 2000». Съемка осуществлялась в режиме 29-9. Источник рентгеновского излучения - рентгеновская трубка с анодом из меди, интервал съемки 19-47°.
Износостойкость определяли после нагружения образцов на машине трения СМЦ-2 в течение заданного времени весовым методом по уменьшению массы образца. Для определения износостойкости применяли схему «кольцо - вкладыш», моделирующую процесс изнашивания при сухом трении. Контактное давление в паре трения обеспечивали усилием, создаваемым механизмом нагружения в интервале 0-5 кН, скорость скольжения - 1 м/с, нагрузка - 70 кг/см2, контртело - закаленный диск из стали Р18. Изменение массы образцов регистрировали периодически (через каждые 10 минут) на аналитических весах.
Жаростойкость определяли после выдержки образцов в печи в течение заданного времени при постоянной температуре весовым методом по увеличению массы образца (ГОСТ 6130-71). Изменение массы образцов регистрировали периодически (через каждые 5 часов) на аналитических весах в течение 50 часов, температура испытаний 1000°С.
Результаты исследований и их обсуждение
В результате обработки получены слои, состоящие из двух основных зон: верхней сплошной зоны (алитированная часть слоя) и зоны кристаллов на границе слой-основа (боридная часть слоя) (рис. 1).
Алитированная часть располагается с внешней стороны бороалитированного слоя и состоит из трех фаз, располагающихся послойно. На поверхности располагается алюминид железа Fe2Al5, с микротвердостью 800-1100 HV [2]. Максимальная толщина данной зоны слоя наблюдается на стали У10 и составляет 70 мкм. На стали Ст3 толщина зоны алюминида Fe2Al5 минимальная (5 мкм). Ниже располагается зона фазы FeAl. Фаза FeAl является упорядоченным а2 твердым раствором, образовавшимся из твердого раствора на основе aFe в результате реакции упорядочения второго порядка. Концентрация алюминия в данной фазе лежит в пределах 22-32,57% (ат.) [3]. Микрорентгеноспектральный анализ показал, что содержание алюминия в слое снижается по направлению к основному металлу с 31 до 8% (ат.). Далее за FeAl следует зона твердого раствора алюминия в aFe. Данная зона характеризуется снижением микротвердости до 300 HV.
Боридная часть слоя преимущественно состоит из Fe2B. На стали Ст3 и 45 бориды Fe2B располагаются на границе с основой в виде цепочки вытянутых кристаллов (рис. 1, а, б). Микротвердость в данной зоне достигает 1800 HV. На сталях У8 и У10 под кристаллами Fe2B располагается зона карбидов. Судя по микротвердости и микроструктуре, данная зона состоит из карбоборида железа («борный цементит») Fe3(B,C) [4, 5]. На стали У 8 они располагаются в виде мелких (длиной до 10 мкм) зубчатых кристаллов (рис. 1, г). На стали У10 после изотермического бороалитирования зона карбоборидов представлена разнонаправленными мелкими кристаллами в виде игл, располагающихся преимущественно по границам зерен основного металла.
Последовательность формирования слоя. В связи с тем, что атомный радиус бора (RB= 0,8 Á) меньше, чем у алюминия (RAl = 1,43 Á), вначале идет образование боридной зоны слоя. Формирование бо-роалитированного слоя на сталях Ст3 и 45 начинается с образования твердого раствора бора в железе, затем при превышении предела растворимости бора появлются кристаллы фазы Fe2B, из которых впоследствии формируется сплошной слой в виде «цепочки» кристаллов [6].
На сталях У8 и У10 помимо твердого раствора и борида Fe2B образуется фаза Fe3(B,C). В результате вытеснения углерода диффундирующими элементами с поверхности и самодиффузии железа образуется зона с повышенным содержанием углерода, который находится в виде фазы Fe3C. Впоследствии часть атомов углерода в решетке цементита замещается бором [7].
Дальнейший рост карбидов происходит под некоторым углом по направлению к основе. В случае со сталью У10, имеющей более развитую зону карбоборидов, происходит преимущественный их рост по границам зерен и блоков. В результате после изотермической выдержки с медленным охлаждением под боридным слоем образуются разнонаправленные игольчатые кристаллы.
С увеличением концентрации алюминия на насыщаемой поверхности начинает формироваться зона твердого раствора алюминия в a-железе. На данном этапе борирование полностью прекращается, и проходит алитирование стали. Формирование бороалитированного слоя заканчивается образованием на его поверхности Fe2Al5.
Рис. 1. Микроструктуры бороалитированных слоев: а - на стали Ст3; б - на стали 45; в,г - на стали У 8
Термодинамические расчеты показали возможность образования следующих соединений: БеБ, Бе2Б, БеА1, А1Б2, Л14Б209 и Ка3А12Р6. Образование фаз Бе2Б и БеА1 возможно во всем расчетном интервале температур (650-950°С), при этом количество Бе2Б увеличивается с повышением температуры, а содержание БеА1 незначительно уменьшается. Борид БеБ, по-видимому, образуется на начальной стадии процесса насыщения, затем вследствие уменьшения концентрации бора переходит в борид Бе2Б. Установлено, что область существовании фазы А1Б2 в насыщающей смеси ограничивается температурой 900°С (верхний предел). Кроме того, согласно результатам расчетов, содержание А1Б2 уменьшается с повышением температуры процесса (рис. 2).
Из исходных компонентов смеси остаются А1203 и А1. Область существовании борного ангидрида Б203 и фторида натрия ограничивается температурой 900°С, то есть, согласно расчетам, данные компоненты насыщающей смеси должны прореагировать полностью. Фазовый анализ подтвердил наличие в отработанной насыщающей смеси указанных фаз, за исключением фазы Ка3А12Б6, содержание которой, вероятно, незначительно, и фазы БеА1. Алюминид БеА1 не был выявлен из-за сильного отражения, но обнаружен другой алюминид Бе2А15.
^ МОЛЬ/КГ
А14В209
ГеАКс)
0.01
6+0 720 800 880 Т, °С
Рис. 2. Зависимость количества образующихся фаз от температуры процесса
Испытания на жаростойкость. Наиболее стойкой к воздействию высокотемпературной коррозии после бороалитирования оказалась сталь У10 (рис. 3). Относительный набор массы стали У10 в 30 раз меньше по сравнению со сталями Ст3, 45 и в 4 раза - по сравнению со сталью У8. Повышение жаростойкости на стали У10 после термоциклирования связано с повышенным содержанием Бе2А15.
Микроструктура бороалитированного слоя на стали У10 претерпела существенные изменения после испытания на жаростойкость (рис. 4). В процессе испытания, в результате диффузии атомов алюминия вглубь и встречной диффузии атомов железа, концентрация алюминия на поверхности уменьшается, что приводит к снижению защитных свойств слоя. После 50 часов выдержки при температуре 1000°С толщина диффузионного слоя возросла в 2 раза и составила вместе с переходной зоной 420-450 мкм. Максимальная микротвердость снизилась в 1,7-1,8 раза. В слое образовались поперечные трещины.
Жаростойкость углеродистых сталей после изотермического бороалитирования
Время, ч
Рис. 3. Кинетика окисления бороалитированных сталей: ♦ - сталь Ст3; ■ - сталь45, ▲ - сталь У8, • - сталь У10
Рис. 4. Микроструктуры бороалитированного слоя на стали У10: а - до испытания на жаростойкость;
б - после испытания на жаростойкость
Выводы
1. Содержание углерода влияет на толщину зон алитирующей составляющей слоя: с увеличением содержания углерода в стали увеличивается толщина зоны алюминида Fe2Al5. В высокоуглеродистых сталях под зоной борида Fe2B располагается зона карбоборида железа («борного цементита») Fe3(B,C).
2. После бороалитирования более жаростойкими и износостойкими получаются высокоуглероди -стые стали, менее жаростойкими и износостойкими - среднеуглеродистые и малоуглеродистые.
Библиография
1. Борисенок Г.В., Васильев Л.А., Ворошнин Л.Г. и др. Химико-термическая обработка металлов и сплавов. Справочник. - М.: Металлургия, 1981. - 424 с.
2. Рябов В.Р. Алитирование стали. - М.: Металлургия, 1973. - 239 с.
3. Диаграммы состояния двойных металлических систем: Д44 Справочник: В 3 т.: Т.1 / Под общ. ред. Н.П. Лякишева. - М.: Машиностроение, 1996. - 992 с.: ил.
4. Бельский Е.И., Ситкевич М.В., Понкратин Е.И., Степанович В.А. Химико-термическая обработка инструментальных материалов.- Минск: Наука и техника, 1986. - 247 с.
5. Крукович М.Г., Прусаков Б.А., Сизов И.Г. Пластичность борированных слоев. - М.: Физматлит, 2010. -
384 с.
6. Земсков Г.В. Коган Р.Л. Многокомпонентное диффузионное насыщение металлов и сплавов. - М.: Металлургия, 1981. - 208 с.
7. Войнов Б.А. Износостойкие сплавы и покрытия. - М.: Машиностроение, 1980. - 116 с.
Bibliography
1. Borisenok G. V., Vasil'ev L.A., Voroshnin L.G. et al. Chemical-heat treatment of metals and alloys. Reference book. - M.: Metallurgy, 1981. - 424 p.
2. Ryabov V.R. Steel aluminizing. - M.: Metallurgy, 1973. - 239p.
3. Diagrams of Binary Metallic Systems: Handbook D44: 3Vol.: Vol.1 / Ed. by N.P. Lyakisheva. - M.: Mashinos-troenie, 1996. - 992 p.: 1ll.
4. Belsky E.I., Sitkevich M.V., Ponkratin E.I., Stepanovich V.A. Chemical-thermal processing of tool materials. -Minsk: Nauka i tekhnika, 1986. - 247 p.
5. Krukovich M.G., Prusakov B.A., Sizov I.G. Plasticity of borated layers. - M.: Fizmatlit, 2010. - 384 p.
6. Zemskov G.V., Kogan R.L. Multicomponent diffusion saturation of metals and alloys. - M.: Metallurgy, 1981. -
208 p.
7. Voinov BA. Wear-resistant alloys and coatings. - M.: Mashinostroenie, 1980. - 116 p.
