CC BY
5
ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКОЙ И ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ
УДК 66.022
DOI: 10.24412/2071-6168-2024-1-602-603
ВЛИЯНИЕ СОСТАВА БОРИРУЮЩЕЙ СМЕСИ НА НАСЫЩЕНИЕ ПОВЕРХНОСТИ РАЗЛИЧНЫХ СТАЛЕЙ БОРОМ ПРИ СКОРОСТНОМ БОРИРОВАНИИ ТОКАМИ ВЫСОКОЙ ЧАСТОТЫ
B.Н. Маликов, С.Е. Кистаев, А.П. Морозова,
C.А. Войнаш, И.В. Ворначева, В.А. Соколова
Важной составляющей процесса упрочнения деталей методом ТВЧ-нагрева является использование боратных флюсов. В статье рассматриваются возможность использования различных обмазок для насыщения поверхности стальных деталей, а также особенности применения различных борирующих агентов. Рассмотрены микроструктуры полученных боридных покрытий при различных фракциях борирующего агента, проанализированы области карбидных включений и средняя толщина полученных покрытий. Исследована целесообразность применения плавленого флюса П-0,66 и изменения в полученных покрытиях за счет изменения массовой доли данного флюса в различных борирующих смесях. На основе полученных данных о микроструктурах бо-ридных покрытий, были сделаны выводы о наиболее целесообразных составах бориру-ющих смесей и массовой доли плавленого флюса в борирующих смесях.
Ключевые слова: упрочнение, покрытия, карбиды, флюс, борирующие смеси.
Процесс «классического» диффузионного борирования является достаточно распространённым способом ХТО сталей и стальных деталей. При борировании насыщаемая поверхность чаще всего получается двух фазной состоящей из зоны смешанных боридов FeB, Fe2B и переходной зоны - твёрдого раствора бора, а также других элементов содержащихся в стали в a-Fe [1-5]. После «классического» борирования микроструктура покрытия, чаще всего, представляет собой сросшиеся в основаниях иглы боридов, которые и образуют слой покрытия. Возникающие при этом внутренние, растягивающие напряжения в борированном покрытии существенно снижают их пластичность, поэтому при относительно небольших изгибающих, ударных или сжимающих напряжениях и, особенно, знакопеременных нагрузках и вибрациях (всегда сопровождающих работу сельхозмашин, их деталей и рабочих органов), происходит отслаивание, скалывание такого упрочняющего покрытия вплоть до полного его разрушения [6-8].
Всё вышесказанное сдерживает использование изотермического процесса бо-рирования для массового применения при упрочнении поверхностей деталей изготовленных из стали сельхозмашиностроении.
В случае же проведения борировния с использованием ТВЧ-нагрева, скорость процесса образования покрытий возрастает в десятки раз за счёт увеличения скорости нагрева, при использовании специальных флюсов отсутствует необходимость создания
защитной атмосферы, так как время борирования не превышает нескольких минут. Кроме того, ТВЧ-нагрев позволяет сократить время воздействия высоких температур на основной материал, а также легко совмещать процесс борирования с последующей термообработкой. В перспективе малое время борирования, осуществляемого с использованием ТВЧ-нагрева, может рекомендовать использование данного способа бориро-вания в поточных технологических линиях, при массовом, серийном производстве и при больших количествах упрочняемых деталей за смену [9-11].
Предварительные эксперименты, проведенные нами, показали принципиальную возможность образования боридных покрытий на поверхности стальных деталей при ТВЧ-нагреве. В предварительных экспериментах было выяснено и получено подтверждение тому, что при увеличении скорости нагрева скорость протекания реакции, а следовательно и образования покрытия на увеличивается в десятки раз по сравнению с изотермической ХТО в печи, и установлено, что для получения качественных, протяженных покрытий обязательно необходимо использовать боратные флюсы, например оригинальный флюс П-0,66 [12-14].
Для исследования процессов проведения борирования с использованием ТВЧ-нагрева поверхности основных марок конструкционных и легированных сталей, используемых в сельхозмашиностроении, исследования влияния содержания углерода и легирующих элементов в стали, на физические, физико-механические свойства и износостойкость боридных покрытий были получены образцы покрытий на сталях марок Ст3, 45, 40ХН, 50Г, 50ХГА, 65 Г из составов борирующей смеси на основе карбида бора и аморфного бора в условиях ТВЧ-нагрева. Температура процесса борирования во всех случаях составляла 950 - 1250 оС, время процесса насыщения составляло 40 - 180 сек.
Состав обмазок для насыщения поверхностей стальных деталей представлен в табл.1, в качестве борирующего агента использовался либо карбид бора, либо аморфный бор, активатором для процесса борирования служили фторид кальция (СаF2), хлорид аммония (ЫН4С1), красную кровяную соль (Кэ[Ре(СК)б]).
Таблица 1
Составы борирующих смесей, использованных
для проведения скоростного ТВЧ-борирования__
Состав № Компонент Масс % Компонент Масс % Компонент Масс % Компонент Масс %
1 В4С 92 П-0,66 8 - - - -
2 В4С 84 П-0,66 16 - - - -
3 В4С 80 П-0,66 20 - - - -
4 В4С 84 П-0,66 11 Кз^Сад 5 - -
5 В 92,5 Сар2 5 П-0,66 2,5 - -
6 В 90 Сар2 5 П-0,66 5 - -
7 В 89 П-0,66 5 №С1 6 - -
8 В 84 П-0,66 10 №С1 6 - -
9 В 85 Сар2 5 П-0,66 5 Кз^ОЗД 5
10 В 79 П-0,66 10 №С1 6 Кз^Сад 5
Для выбранных борирующих агентов прохождение целевой поверхностной реакции борирования на сталях обеспечивается за счет осуществления следующих самопроизвольных, экзотермических и обратимых процессов, упрощенные уравнения реакций которых следующие:
Fe2B + В = 2FeB, (1)
FeB + Fe о Fe2B, (2)
Fe + В = FeB, (з)
2Fe + В = Fe2B, (4)
4Fe + В4С = 4FeB + С, (5)
3Fe + С = FeзC, (б)
Первая реакция является основной при образовании покрытия в смесях с аморфным бором. Для полного описания процесса борирования с использованием ТВЧ-нагрева к ней также следует также добавить и реакции между бором и оксидами Fe,
603
приведенные выше. Вторая реакция, разрешенная термодинамически, может реализо-вываться дополнительно к основным процессам восстановления бора из его карбида кальцием при более низких и кремнием - при более высоких температурах, также описанным выше.
Реакции 5, 6 осуществляются непосредственно на поверхности стального образца при его контакте с обмазкой (засыпкой) и нагреве, составляют его первую стадию и ускоряют процесс, а реакция 3 осуществляется в глубине уже борированного образца, может идти как по механизму соединения, так и диспропорционирования, имеет меньшую скорость и происходит на второй стадии процесса.
При осуществление борирования в изотермических условиях, в засыпках при температуре 800 - 950 0С именно реакция 6 ответственна за образование двухфазного анизотропного боридного слоя, замедление всего процесса, но, в то же время, она обеспечивает химическую диффузию бора на максимальные глубины в материал.
Возможно протекание и других процессов. Так, например, активный углерод, выделяющийся по реакции 5, может частично науглероживать сталь, давать тугоплавкие дисперсные карбиды с активными легирующими элементами или реагировать с кислородом при проведении процесса на воздухе, а карбид бора, диспропорционирую-щий уже при нагреве до 850 - 900 0С, при проведении борирования в печах из обмазок, дает В2О3 и оксид углерода (IV).
Образующийся по реакции 2 цементит также может находиться в покрытиях полученных с использованием ТВЧ-нагрева сталей за счёт взаимодействия железа с активным углеродом.
Структура и основные характеристики боридных слоев, получающихся бори-рованием с использованием ТВЧ-нагрева исследованных сталей в различных составах приведены на рис.1 и в табл. 2.
Для изучения влияния состава борирующей смеси на характеристики получаемых упрочнённых слоёв температура процесса борирования с использованием ТВЧ-нагрева 1050 0С при этом максимальное значение температуры не превышало 1070 0С, а минимальное 950 0С. Увеличение температуры процесса борирования с использованием ТВЧ-нагрева свыше 1070 0С может приводить к образованию легкоплавких борид-ных эвтектик, что подтверждалось частичным оплавлением поверхности образца, время нагрева составляло 76 секунд.
Таблица2
Основные характеристики боридных покрытий, получаемых на стали 65Г
_при скоростном^ ТВЧ-борировани _
Состав диаметр частиц основной фракции бо-рирующего агента, мкм Толщина покрытия, мкм Микротвёрдость НУкю, МПа Состояние границы раздела покрытие/основа
1 75 340 15332 диффузная
1 150 320 13315 выраженная,
1 315 290 12057 выраженная,
2 75 360 7817 отсутствует
2 150 600 9194 отсутствует
2 315 350 13778 наличие прослойки
3 315 195 10970 наличие прослойки
5 - 675 26275 выраженная
6 - 80 11678 выраженная
7 - 110 8464 диффузная
8 - 800 20117 диффузная
4 75 20 4826 отсутствует
4 150 30 4204 разрыв сплошности
4 315 400 10325 разрыв сплошности
Как видно из рис.1.а, при использовании состава состоящего из карбида бора фракционный размер которого не превышал 75 мкм 92% по массе и флюса П-0,66 8%
по массе наблюдается образование боридного покрытия структура которого представляет из себя ледебуритоподобную железо-боридную эвтектику, мелкозернистой структуры при этом в эвтектической матрице наблюдаются равномерно распределенные замкнутые карбидные области, аналогичный по составу и внешнему виду структуры были получены авторами при наплавке боридных смесей.
Переходная зона между боридным покрытием и основным металлом представляет из себя область с повышенным содержание углерода по сравнению исходным материалом. Увеличение фракции борирующего агента до 150 мкм (рис.1.б) приводит к уменьшению области занимаемой карбидными областями и разрастанию железо-боридной эвтектики переходная зона у такого покрытия отсутствует. Дальнейшее увеличение фракции борирующего агента приводит к уменьшению карбидных областей ещё в большей степени, что прекрасно видно на представленной фотографии микроструктуры (рис.1.в) ярко выраженной переходной зоны как при классическом диффузионном борировании также не наблюдается.
Увеличение фракции борирующего агента в составе 1 приводит к уменьшению толщины боридного покрытия и уменьшению микротвердости упрочняющей фазы в виде железо-боридной эвтектики, но при этом уменьшается общая площадь в микроструктуре полученного упрочнённого слоя занимаемая карбидными областями.
а б в
Рис. 1. Микроструктура боридного покрытия при использовании состава №1: а — при фракции борирующего агента 75 мкм, б — при фракции борирующего агента 150 мкм, в — при фракции борирующего агента 315 мкм
Увеличение содержания плавленого флюса П-0,66 до 16% при фракции борирующего агента 75 мкм позволяет получить боридное покрытие средняя толщина которого 360 мкм, структура которого, при этом, представляет из себя железо-боридную эвтектику с включениями карбидных областей (рис.2.а). Увеличение фракции борирующего агента до 150 мкм позволяет получить боридное покрытие средняя толщина которого достигает 600 мкм (рис.2.б) при этом наблюдается уменьшение области карбидных включений по сравнению использование состава с более мелкой фракцией бори-рующего агента. Увеличение фракции борирующего агента до 315 мкм позволяет получить боридное покрытие со средней толщиной 350 мкм объём карбидных областей при этом также снижается (рис.2.в).
Использование состава борирующей смеси под номером №2 в отличие от состава под номером №1 увеличении фракции борирующего агента приводит к увеличению микротвёрдости основной упрочняющей фазы в виде железо-боридной эвтектики.
Заключение. В ходе проведенного исследования рассматривалось использование различных составов борирующих смесей на свойства и структуру упрочняющих боридных покрытий. В ходе выполнения исследования, были проанализированы 10 составов смесей, в качестве борирующего агента которых использовался карбид бора, аморфный бор, при этом активатором для процесса борирования служили фторид кальция (СаF2), хлорид аммония (NH4CI), красная кровяная соль (K3[Fe(CN)6]).
605
а б в
Рис. 2. Микроструктура боридного покрытия при использовании состава №2: а — при фракции борирующего агента 75 мкм, б — при фракции борирующего агента 150 мкм, в — при фракции борирующего агента 315 мкм
Установлена целесообразность увеличения содержания плавленого флюса в составе борирующей смеси на основе карбида бора примерно до 16 %, при дальнейшем увеличении плавленого флюса происходит снижение микротвердости полученного покрытия.
Список литературы
1. S. Dmitriyev, A. Koudrin, V. Labunets, M. Kindrachuk, Functional coatings application for strengthening and restoration of aviation products. Avia. 9(4) (2005) 39-45.
2. T. S. N. Sankara Narayanan, K. Ravichandran, I. S. Park, Deposition of zinc-zinc phosphate composite coatings on steel by cathodic electrochemical treatment, J. Coat. Tech. Res. 11(3) (2013) 431-442.
3. M. S. Gok, Y. Ku9uk, A. Erdogan, M. Oge, Dry sliding wear behavior of borided hot-work tool steel at elevated temperatures, Surf. Coatings Technol. 328 (2017) 54-62.
4. A. Yazici, U. £avdar, A Study of Soil Tillage Tools from Boronized Sintered Iron, Met. Sci. Heat Treat. 58 (2017) 753-757.
5. U. £avdar, B. S. Unlu, A. M. Pinar, Mechanical properties of heat treated iron based compacts, Mater. Des. 65 (2015) 312-317.
6. F. L. Serafini, M. I. Peruzzo, Microstructure and mechanical behavior of 316L liquid phase sintered stainless steel with boron addition, Mater. Charact. 152 (2019) 253-264.
7. E. Franco, C. E. da Costa, J. C. G. Milan, E. Gordo, Multi-component boron and niobium coating on M2 high speed steel processed by powder metallurgy, Surf. Coatings Technol. 384 (2020) 125306.
8. S. S. Yilmaz, R. Varol, The effect of surface hardening treatments on the mechanical properties of iron based P/M specimens, Powder Technol. 204 (2010) 236-240.
9. J. C. G. Milan, H. L. Costa, A. P. Krelling, Sliding wear of borided sintered AISI M2 steel coated with AlTiN/CrN multilayer, Wear 410-411 (2018) 11-24.
10. M. W. Wu, W. Z. Cai, Phase identification in boron-containing powder metallurgy steel using EBSD in combination with EPMA, Mater. Charact. 113 (2016) 90-97.
11. H. Yang, X. Wu, G. Cao, Enhanced boronizing kinetics and high temperature wear resistance of H13 steel with bonding treatment assisted by air blast shot peening, Surf. Coatings Technol. 307 (2016) 506-516.
12. A. Erdogan, Investigation of High Temperature Dry Sliding Behavior of Borided H13 Hot Work Tool Steel with Nanoboron Powder, Surf. Coatings Technol. 357 (2019) 886895.
13. S. Dmitriev, V. Malikov, A. Ishkov, Investigation of thermal fields at phase boundaries in powder mixtures that are subject to melting and chemical transformation, Ma-
ter. Sci. For. 992 (2020) 1011-1015.
14. V. Malikov, A. Ishkov, Chemical reactions at high-speed HFC-boriding, Jour. Phys. Conf. Ser. 1399(4) (2019) 044116.
Маликов Владимир Николаевич, канд. техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Барнаул, Алтайский государственный университет,
Кистаев Семен Евгеньевич, студент, [email protected], Россия, Барнаул, Алтайский государственный университет,
Морозова Анастасия Павловна, студент, morozovarffi@,gmail.com, Россия, Барнаул, Алтайский государственный университет,
Войнаш Сергей Александрович, младший научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории, [email protected], Россия, Казань, Казанский федеральный университет,
Ворначева Ирина Валерьевна, канд. техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Курск, Юго-Западный государственный университет,
Соколова Виктория Александровна, канд. техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский государственный университет промышленных технологий и дизайна
INFLUENCE OF THE COMPOSITION OFBORANT MIXTURE ON THE SATURATION OF THE SURFACE OF DIFFERENT STEEL WITH BORON DURING SPEED BORIDATION
WITH HIGH FREQUENCY CURRENTS
V.N. Malikov, S.E. Kistaev, A.P. Morozova, S.A. Voinash, I.V. Vornacheva, V.A. Sokolova
An important component of the process of hardening parts using high-frequency heating is the use of borate fluxes. The article discusses the possibility of using various coatings to saturate the surface of steel parts, as well as the features of using various borating agents. The microstructures of the obtained boride coatings with different fractions of borid-ing agent are considered, the areas of carbide inclusions and the average thickness of the obtained coatings are analyzed. The feasibility of using fused flux P-0.66 and changes in the resulting coatings by changing the mass fraction of this flux in various boronating mixtures was investigated. Based on the data obtained on the microstructures of boride coatings, conclusions were drawn about the most appropriate compositions of boriding mixtures and the mass fraction of fused flux in boriding mixtures.
Key words: hardening, coatings, carbides, flux, borating mixtures.
Malikov Vladimir Nikolaevich, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Barnaul, Altai State University,
Kistaev Semen Evgenievich, student, [email protected], Russia, Barnaul, Altai State University,
Morozova Anastasia Pavlovna, student, morozovarffi@,gmail.com, Russia, Barnaul, Altai State University,
Voinash Sergey Aleksandrovich, junior researcher at the research laboratory, [email protected], Russia, Kazan, Kazan Federal University,
607
Vornacheva Irina Valerievna, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Kursk, South-West State University,
Sokolova Viktoriia Aleksandrovna, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, St. Petersburg, St. Petersburg State University of Industrial Technologies and Design
УДК 66.040.25
DOI: 10.24412/2071-6168-2024-1-608-609
РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПОВЕРХНОСТНОГО ЛЕГИРОВАНИЯ
РАБОЧИХ ОРГАНОВ ПОЧВООБРАБАТЫВАЮЩИХ МАШИН С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ НАГРЕВА ТОКАМИ ВЫСОКОЙ ЧАСТОТЫ
В.В. Зобнев, Н.А. Чернецкая, М.К. Чернецкая
Исследовано влияние состава насыщающей смеси, химического состава стали, а также технологических параметров на фазовый состав, структуру и свойства легированных покрытий, получаемых при использовании нагрева токами высокой частоты для упрочнения рабочих поверхностей рабочих органов почвообрабатывающих машин. Исследованы процессы нанесения борсодержащих покрытий в условиях нагрева токами высокой частоты.
Ключевые слова: диффузионный слой, процесс насыщения, ток высокой частоты, наплавленный металл.
Упрочнение рабочей поверхности рабочих органов почвообрабатывающих машин наиболее часто осуществляют путем поверхностного легирования способом химико-термической обработки в условиях печного нагрева. Для изучения процесса использовали печь, оснащенную пропорционально-интегрально-дифференцирующим регулятором, позволяющим контролировать температуру в камере печи с точностью до ±0,1оС на спае термопары. В качестве образцов рабочих органов почвообрабатывающих машин выбрали лапу культиватора. Обработку производили в соответствии с рекомендациями [1] путем помещения образцов с нанесенной насыщающей обмазкой рабочей части лапы культиватора в печь, предварительно разогретую до температуры 950оС.
Насыщение сталей бором и хромом. Одновременное многокомпонентное насыщение легирующими элементами приводит к увеличению толщины диффузионного слоя по сравнению с однокомпонентными слоями. При этом природа и положения в периодической системе Д.И, Менделеева второго насыщающего компонента влияет на степень увеличение толщины диффузионного слоя. Увеличение толщины диффузионного слоя в зависимости от насыщающих компонентов приведено в табл.
В качестве основы насыщающей среды выбран карбид бора. Активаторы -фториды, хлориды, фторбораты натрия и аммония. Второй насыщающий компонент -порошки феррохрома, оксида хрома (Ш), смесь оксидов хрома (кубовый остаток от гальванического хромирования) и бориды хрома.
В ходе процесса насыщения активирующие атомы фтора, хлора и других галогенов практически не покидают насыщающую обмазку потому, что на поверхности обмазки в присутствии кислорода образуется стеклообразная пленка, состоящая из оксидов бора и хрома, а также тетрабората натрия. Поэтому насыщение из самозащитных обмазок на основе карбида бора является наиболее выгодным. Полученная стеклообразная пленка несет две функции:
