CC BY
0
ВЛИЯНИЕ ВИДА АКТИВАТОРА И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА СТРУКТУРУ БОРИРОВАННЫХ СЛОЕВ НА
ПОРОШКОВОЙ СТАЛИ СП50С2
1 2
Еремеева Жанна Владимировна , д.т.н., профессор
НИТУ МИСиС, Московский политехнический университет eremeeva-shanna@yandex.ru Гомжин Владимир Владимирович2, аспирант Московский политехнический университет v.gomzhin@mail.ru Мин Туяйн Хлайн1, магистрант НИТУ МИСиС, Орлов Вадим Леонидович , старший преподаватель Московский политехнический университет vadimorlov67@mail.ru 1 Национальный исследовательский технологический университет
«МИСиС», г.Москва, Россия Московский политехнический университет, г.Москва, Россия
Проведено исследование влияния активаторов, которые применялись при диффузионном борировании на структуру и свойства порошковой стали СП50С2. В работе проведены металлографические и рентгенос-пектральные исследования структуры полученного бориованного слоя на порошковой стали СП50С2, определены механические свойства спеченной порошковой стали СП50С2 после проведения диффузионного борирования при введении в порошковую засыпку различных активаторов. Установлено, что проведение процесса диффузионного борирования при температуре 1200 °С и времени выдержки 120-180 минут при примении фторидных активаторов NaF или ^ позволяет получить на порошковой стали СП50С2 диффузионной слой толщиной 400-600 мкм.
Ключевые слова: порошковая сталь, диффузионное борирование, активатор, структура, толщина слоя.
Насыщение пористых заготовок имеет важное преимущество по сравнению с компактными сталями, связанное с возможностью протекания не только зернограничной и объемной диффузии, но и диффузии по поверхностям пор. Наличие пористости повышает площадь свободной поверхности и вызывает увеличение толщины поверхностного слоя, особенно на начальной стадии процесса.
Известно, что рост диффузионного слоя определяется активностью насыщающей среды, коэффициентом диффузии, скоростью химических реакций на межфазных границах и др. Необходимо отметить, что движущей силой процесса диффузии в металлах является градиент химического по-
тенциала (то есть парциальной свободной энергии), а не принимаемый обычно градиент концентрации диффундирующего элемента.
Как показали проведенные исследования, структура и фазовый состав поверхностных слоев борированных порошковых материалов зависят от режима борирования, состава насыщающей смеси, пористости заготовок, подвергаемых насыщению, содержания в них углерода и легирующих элементов. Присутствие активаторов позволяет резко повысить активность насыщающей смеси. Активаторы или продукты их диссоциации, взаимодействующие с твердым компонентом, образуют активную газовую среду, резко повышающую испаряемость твердых тел. Добавление в насыщающую смесь на основе ферробора или карбида бора активаторов КН4С1, КаС1,КБ и КБ позволяет получать двухфазные диффузионные слои.
Кинетика образования слоев при борировании с применением хлорид-ных и фторидных активаторов принципиально различается. При использовании хлоридных активаторов КН4С1 и КаС1 формирование слоя осуществляется за счет реакционной диффузии.
При борировании в порошкообразной смеси на основе ферробора, так и на основе карбида бора без использования активаторов (галогенидов) на поверхности образцов формируются несплошные и неравномерные по толщине слои твердого раствора бора в а-железе Насыщение осуществляется за счет непосредственного контакта частичек ферробора или карбида бора с поверхностью образцов и через паровую фазу образующуюся при активном протекании процесса борирования.
Рисунок 1 - СЭМ-изображение боридного слоя на стали СП50С2
Борированный слой, сталей наиболее часто, состоит из двух зон: борид-ной зоны (зоны химических соединений бора и железа) и переходной (зоны твердого раствора бора и других элементов в а-железе) рисунок 1.
Боридная зона имеет характерное игольчатое строение. Иглы боридов, срастаясь в основаниях, образуют сплошной слой боридов на поверхности детали.
Как правило, при борировании получаются слои двух типов однофазные (Бе2В) и двухфазные (РеВ+Ре2В). Любая борированная поверхность состоит из двух зон: 1) зона боридов (однофазная и двухфазная) и 2) переходная зона. Боридная зона в двухфазных боридных слоях независимо от химического состава стали представлена боридами БеВ и Бе2В. Борид
FeB располагается в верхнем слое, а Fe2B под ним. Однофазные боридные слои состоят из фазы Fe2B. Поверхностная твердость двухфазных борид-ных слоев достигает 18000-21000 МПа, однофазных - 14000-16000 МПа.
Переходная зона представляет собой твердый раствор бора в железе. Ее структура, глубина и состав определяют характер распределения остаточных напряжений, прочность связи боридного слоя с основным металлом, склонность его к хрупкому разрушению, условия образования и развития усталостных трещин, возможность продавливания слоя и пр. Поэтому при выборе стали и режима борирования необходимо учитывать влияние структуры переходной зоны.
После борирования порошковых сталей при температурах 1000...1100 оС борированый слой состоит из зоны Fe2B-фазы достаточно большой толщины и переходной зоны, состоящей из FeB+Fe2B. Увеличение времени выдержки и температуры процесса приводит к увеличению толщины переходной зоны, а также к снижению пористости. При температурах борирования 1100.1200 оС за счет более высокой подвижности атомов бора в железной матрице размер зон становится примерно одинаковым.
В случае использования фторидного активатора NaF происходит постепенное увеличение содержания бора в диффузионном слое от 0 до 14,5 % и выше. Сначала происходит образование однофазного слоя, состоящего из Fe^-фазы, а потом., когда концентрация бора достигает 7.10,5 % , (в зависимости от температуры процесса), происходит упорядочение твердого раствора.
11 PDF 01-076-4446 (Tune Cell) Fe2B iron boride | Iron Boron I ; 11 PDF 03-085-4699 flbne Cell) Fe ±-Fe | Iron_|
I.........I.........I.........I ... , I , ... !.........I.........I ■ 1 ■ ......I
20 30 40 SO 60 70 80 90
2Theta (Coupled TwoThetaTheta) WL-1.54060
Рисунок 2 - Фазовые составляющие борированного слоя порошковой стали
На поверхности заготовки порошковых сталей образуется Бе2В, под которым располагается БеВ. Микротвердость Бе2В - составляет 22 ГПа, БеВ -15 ГПа. Указанный состав имеют боридные слои практически для всех порошковых сталей. Проведение ДБ при температуре плавления эвтектики привело к оплавлению поверхности образцов.
Следует заметить, что размер зерен диффузионного слоя зависит от содержания углерода в насыщаемом материале. В частности борированный слой на стали СП50 и СП50С2 имеют размер зерен 100-150 мкм.
Взаимодействие поверхности порошковой стали с насыщающей средой происходит в результате двух противоположно действующих процессов:
- перехода атомов бора от насыщающей среды на поверхность изделия; содержание бора при этом повышается до равновесной концентрации;
- диффузии атомов бора в глубь металла, которая обеспечивает образование диффузионного слоя и понижает концентрацию элемента на поверхности.
Первый процесс происходит на границе «насыщающая среда - металл», при этом активные атомы бора поглощаются металлической поверхностью. Указанный процесс можно представить как внедрение в решетку металла атомов бора или химическую реакцию между атомами основного металла и бора. В первом случае на поверхности образуется твердые растворы замещения, во втором - химические соединения.
Второй процесс состоит в диффузии адсорбированных атомов бора в глубь металла. Этот процесс возможен при высокой температуре, обеспечивающей достаточную тепловую энергию атомов, необходимую для протекания диффузии в твердой фазе. Диффузия обусловлена стремлением к выравниванию концентрации, так как равномерное распределение соответствует состоянию с минимумом свободной энергии.
Для нормального процесса диффузионного насыщения, приводящего к образованию диффузионного слоя, необходимо, чтобы количество внедряемого вещества было больше того, которое отводится за тот же промежуток времени в глубь изделий в результате диффузионных процессов. На практике это условие обеспечивается соответствующим выбором температуры и среды насыщения.
П5 О С
1000 900
&оо
700 500 500 400 300 200 100
о
О
п
В4С+А1203+2
В4С+А1203+5 ЧШаР
В4С+А1203+7 ^МаР_
в-е
о
0.5
3.5 1 1,5 г 2,5 3 3,5 4 Время диффузионного насыщения в часах
Рисунок 3 - Зависимость глубины диффузионного слоя от времени насыщения и количества активатора
Установлено, что ферробор с оксидом алюминия обладает очень малой активностью. Насыщение осуществляется как через паровую фазу, так и за счет непосредственного контакта частичек ферробора с поверхностью образцов.
Бор аморфный имеет хорошую активность при насыщении, но он очень дорогой и поэтому не эффективно его использовать для приготовления насыщающей смеси.
Немаловажную роль играет и непосредственный контакт активной насыщающей смеси с поверхностью образцов. Сравнительно низкая насыщающая способность порошкообразных смесей, не содержащих активаторов, обусловлена низким давлением паров элементов, а также тем, что основными компонентами паров.
Введение в насыщающую смесь активаторов: КБ, КН4С1, КаС1, КБ -позволяет значительно повысить глубину диффузионного слоя и содержание в нем бора рисунок 3.
Это происходит потому, что галогениды создают активную парогазовую фазу, резко повышающую испаряемость твердых тел. Механизм их действия различен. Самым распространенным активатором процессов химико-термической обработки порошковой стали является фториды калия и натрия.
На рисунке 4 представлены зависимости глубины диффузионного слоя от состава насыщающей смеси. Были использованы смеси порошков карбида бора и оксида алюминия и активатора хлорида аммония, а также смеси с бором оксидом алюминия и активатором хлоридом аммония и ферробора с оксидом алюминия и активатором хлоридом аммония
Рекомендуется вносить не более 2 % КН4С1. Проведенные нами исследования позволили установить, что увеличение содержания в насыщающей смеси КаБ свыше 2 % существенного влияния на глубину борировн-ного слоя не оказывает. Повышение содержания КН4С1, напротив, вызывает монотонный рост глубины диффузионного слоя.
к о
о _
о
1000
а э ^ с -
о п
-О—В+-А1203-1-М Н4С1
--ферробор +-А1203-<-МН 4 СI
В4С+-А1203 ■ьЫН4С1
5 0.5 1 1,5 2 2.5 3 3.5
время насыщения в часах
Рисунок 4 - Зависимость толщины диффузионного слоя от времени насыщения и состава порошковой смеси
Вывод
При твердофазном борировании порошковых заготовок зависимости общей толщины слоя, глубины сплошного слоя боридов, а также прироста массы образцов, от времени имеют характер, близкий к параболическому. Основное отличие насыщения порошковых и литых материалов заключается в большей на 10-20% толщине борированного слоя у порошковых образцов, что обусловлено наличием пор, мелкозернистостью и дефектностью структуры, облегчающих протекание диффузии бора. Наибольшее влияние на нее оказывают температура процесса, в меньшей мере воздействуют его время, содержание углерода и пористость заготовок.
Список литературы
1. Исследование структуры и свойств механоактивированного титаната самария/ Шарипзянова Г.Х., Еремеева Ж.В., Саенко А.А.// Устойчивое развитие горных территорий. 2022. Т. 14. № 1 (51). С. 134-141.
2. Термообработка порошковых горячедеформированных сталей, легированных наноразмерным углеродом и хромом/ Костиков В.И., Еремеева Ж.В., Рупасов С.И., Скориков Р.А., Слуковская К.Н., Шарипзянова Г.Х., Ниткин Н.М.// Материаловедение. 2012. № 1. С. 51-55.
3. Особенности применения наноразмерных порошков углерода и хрома на процессы подготовки шихты и прессования порошковых сталей/ Еремеева Ж.В., Ниткин Н.М., Шарипзянова Г.Х.// Известия МГТУ МАМИ. 2011. № 2 (12). С. 123-127.
4. Способ получения конструкционной порошковой стали/ Дорофеев В.Ю., Скориков А.В., Жердицкая Н.Н., Шишка В.Г., Еремеева Ж.В., Веро-паха Д.Н., Яицкий Д.Л., Гончарова Т.В., Селевцова И.В.// Патент на изобретение RU 2090309 C1, 20.09.1997. Заявка № 95103830/02 от 15.03.1995.
5. Влияние технологических факторов смешивания и природы нанораз-мерных частиц на механические свойства порошковой легированной стали СП60ХГС/ Еремеева Ж.В., Шарипзянова Г.Х., Ниткин Н.М., Крихтин В.В., Тер-Ваганянц Ю.С., Дахнова Т.В.// Нанотехнологии: наука и производство. 2016. № 3. С. 57-76.
Eremeeva Zhanna Vladimirovna12, Doctor of Technical Sciences, Professor of the Department of Powder Metallurgy and Functional Coatings of NUSTMISIS, Professor of the Department of Metallurgy of Moscow Polytechnic University, eremeeva-shanna@yandex.ru
Gomzhin Vladimir Vladimirovich2, graduate student of the Department of Metallurgy, Moscow Polytechnic University, v.gomzhin@mail.ru Min Tuyain Hlain 1, master's student at the Department of Powder Metallurgy and Functional Coatings, NUST MISIS,
Orlov Vadim Leonidovich , senior lecturer of the Department of Foreign Languages, Moscow Polytechnic University, vadimorlov67@mail.ru
INFLUENCE OF ACTIVATOR TYPE AND TECHNOLOGICAL FACTORS ON THE STRUCTURE OF BORED LAYERS ON SP50S2 POWDER STEEL
A study was carried out of the influence of activators that were used during diffusion boriding on the structure and properties of SP50S2 powder steel. In this work, metallographic and X-ray spectral studies of the structure of the resulting borated layer on SP50S2 powder steel were carried out, and the mechanical properties of sintered SP50S2 powder steel were determined after diffusion boriding with the introduction of various activators into the powder filling. It has been established that carrying out the diffusion boriding process at a temperature of 1200 °C and a holding time of 120-180 minutes using fluoride activators NaF or KF makes it possible to obtain a diffusion layer with a thickness of400-600 microns on SP50S2 powder steel.
Key words: powder steel, diffusion boriding, activator, structure, layer thickness.
УДК 666.775-798.2
ВЛИЯНИЕ ДОБАВКИ СИЛИКАГЕЛЯ НА СТРУКТУРУ ОКСИДА ЦИНКА, ПОЛУЧЕННОГО МЕТОДОМ РАСТВОРНОГО СВС Кривинчук Андрей Валерьевич, студент (e-mail: krivinchukav@mail.ru) Кондратьева Людмила Александровна, д.т.н., профессор (e-mail: schiglou@yandex.ru) Самарский государственный технический университет,
г.Самара, Россия Кривинчук А.В., студент (e-mail: krivinchukav@mail.ru)
Представлены результаты исследований продукта, полученного методом растворного СВС. Описано влияние добавки силикагеля в шихте на характеристики синтезированного продукта (морфологию и размер частиц).
Ключевые слова: растворный СВС, оксид цинка, оксид кремния, силика-гель.
Целью работы являлось исследование влияния добавки SiO2 (сикагель) на характеристики синтезируемого СВС-продукта - оксида цинка.
Существуют различные методы получения оксида цинка [1-5]. В данной работе получение оксида цинка осуществлялось методом растворного СВС, который заключался в том, что самораспростряющийся высокотемпературный синтез [6-12] происходит в смеси водного раствора нитрата металла (окислителя) и топлива, где реакционная жидкость контактирует с
