CC BY
39
УДК 669.295.69:621.793
ЖАРО-, ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ И СОПРОТИВЛЕНИЕ КОРРОЗИИ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ СТАЛЕЙ ПОСЛЕ ЭЛЕКТРОВЗРЫВНОГО БОРОАЛИТИРОВАНИЯ И БОРОТИТАНИРОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТИ
© Е.В. Мартусевич, Е.А. Булевских, В.Ф. Горюшкин
Martusevich E.V., Budovskikh Е.А., Goryushkin V.F. Heal-, wear and corrosion resistance of instrumental steels after complex elcctrocxplosive alloing. In given work studied heat, abrasive wear and corrosion resistance of instrumental steels H12M and R6M5 after elcctrocxplosive surfaces simultaneously two elements - aluminum and boron and titanium and boron. Studies have shown that elcctrocxplosive treatment can be effectively used for decision often appearing practical of the problems of increasing not one some characteristic, but complex combination two or several characteristics, for instance, stability to high temperature oxidation and wear.
Усиление эксплуатационных требований к материалам постоянно стимулирует разработки в области поверхностного легирования. В последнее время все более широкое применение находят новые способы упрочнения металлов, основанные на использовании концентрированных потоков энергии. Одним из новых разрабатываемых способов является электровзрывное легирование.
Импульсное воздействие на металлы плазменных пучков, сформированных при электрическом взрыве проводников, приводит к плавлению тонких поверхностных слоев и взаимодействию расплава с пароплазменными и конденсированными продуктами взрыва. Основные особенности электровзрывного легирования определяются совместным действием на поверхность теплового импульса продуктов взрыва, их газодинамического давления, гидродинамических процессов в расплаве и гетерогенной структурой пучков. Температура плазмы в ударно-сжатом слое вблизи поверхности в процессе обработки достигает величин порядка 104 К, а давление - 107 Па. В данной работе определяли жаростойкость, стойкость против электрохимической коррозии, мнкротвердость и абразивную износостойкость инструментальных сталей Х12М и Р6М5 до и после электровзрывного легирования поверхности одновременно двумя элементами - алюминием и бором и титаном и бором.
Для обработки поверхности использовали импульсный плазменный ускоритель, состоящий из коаксиальных электродов и компрессионной камеры с направляющим соплом. Взрываемый проводник в виде полоски алюминиевой или титановой фольги с размещенной на ней навеской порошка аморфного бора закрепляли на торцах электродов и при разряде через него емкостного накопителя энергии продукты взрыва формировали в направленный пучок. Взаимодействие плазмы с поверхностью образца, которую располагали нормально по отношению к пучку, происходило в фор-вакуумной технологической камере. Режим обработки, обеспечивающий необходимые условия для осуществления процесса импульсного жидкофазного легирова-
ния, задавали величиной зарядного напряжения накопителя энергии ускорителя, диаметра канала сопла и расстояния от его среза до образца. Поглощаемая плотность мощности при обработке достигала величины порядка Ю5 Вт/см’. Время импульса воздействия составляло 100 мкс.
Образцы стали Х12М подвергали бороалнтирова-нию, а стали Р6М5 - боротитанированию. Размеры образцов составляли 15x15x2 мм.
После обработки проводили металлографический анализ с помощью оптического микроскопа «Неофот-21». Микротвердость измеряли на приборе ПМТ-3. Рентгеноструктурные исследования проводили на дифрактометре ДРОН-2,0. Испытания на окалиностой-кость и сопротивление электрохимической коррозии проводили весовым методом. Стойкость металлов к абразивному износу оценивали воздействием на образцы абразивным инструментом. Для этого инструмент, изготовленный в форме цилиндра диаметром 10 мм из бесцветного электрокорунда, зажимали в патроне сверлильного станка и прижимали к поверхности металла торцевой поверхностью. При вращении в контролируемых условиях он вытирал на образце лунку. Величину износа определяли по потере массы образца.
Изучение под микроскопом химически протравленных поперечных шлифов образцов после обработки показало, что толщина модифицированных легированием слоев достигала 30-40 мкм. В некоторых местах в слое наблюдались поперечные трещины. Такие же трещины были видны и при микроскопическом исследовании поверхности облучения, поэтому можно считать, что они могли образоваться под действием термических напряжений в процессе кристаллизации слоев. Степень легирования и фазовый состав поверхности были однородны по глубине вплоть до границы плавления. По данным качественного рентгеноструктурного фазового анализа, в модифицированных слоях присутствовали бориды Т1В, РеВ, ['стВ.
Результаты определения жаростойкости образцов по удельному приращению массы за время испытаний в атмосфере воздуха приведены в таблице I.
Таблица 1
Данные измерения жаростойкости сталей до электровзрывной обработки (числитель) и после (знаменатель)
Темпера- тура испыта- ний, К Время испы- таний, ч Удельная прибыль массы, г/м2 Массовый показатель коррозии, г/(м2ч)
ХІ2М Р6М5 ХІ2М Р6М5
1173 5 84/37 486/60 17/7 97/12
1123 5 34/4 407/20 7/1 82/4
1073 5 19/8 367/26 4/2 73/5
1073 10 40 932/ - то же то же
1073 25 89 2650/ - то же то же
1073 50 -/10 6136/2710 то же то же
1073 60 7497/- то же то же
1073 80 10989/ - то же то же
1073 90 322 -/- то же то же
1073 100 -/- 13594/2856 то же то же
1073 120 436 -/- то же то же
1073 150 547/55 -/- то же то же
Таблица 2
Результаты испытаний образцов сталей Х12М (числитель) и Р6М5 (знаменатель) на сопротивление электрохимической коррозии
Состояние образцов Время испытаний, ч Удельная потеря массы, г/м' Показатель коррозии, г/(м2-ч)
До 216 9,8/28,1 0,046/0,13
обработки 408 10,1/29.0 0,025/0,071
После 168 92,7/91,7 0,55/0,55
обработки 504 98,3/204,6 0,195/0,41
Из анализа полученных данных следует, что в изученном временном интервале окалина на обеих сталях до обработки росла по линейному закону, но с различными скоростями. Обработка приводила к уменьшению скорости окисления и, по-видимому, к смене закона окисления. После пяти часов испытаний при 800 °С жаростойкость бороалнтированной стали Х12М возросла в два раза, а боротнтаннрованной стали Р6М5 - почти в пятнадцать раз. По температурной зависимости скорости окисления за первые 5 ч испытаний была определена энергия активации процесса окисления. Для стали Х12М до обработки она оказалась равной 165382 Дж/моль, после обработки - 281603 Дж/моль, для стали Р6М5 - 33140 и 136992 Дж/моль соответственно. Осмотр образцов после опытов показал, что слой продуктов окисления на образцах после обработки рос «внутрь». Следовательно, легированные слон оказывали большее сопротивление процессу диффузии кислорода к металлу, чем образующаяся оксидная пленка на сталях без обработки.
Рассмотренные выше данные интересно сравнить с результатами исследования коррозии образцов в насыщенном водном растворе аспирина при комнатной температуре (табл. 2). Как видно, электровзрывное легирование приводило к увеличению скорости коррозии. Например, образцы стали Х12М после электровзрывной обработки первые 200 ч выдержки в аспирине корродировали со скоростью примерно в десять раз более высокой, чем образцы без обработки. Поведение стали Р6М5 было аналогичным, с той лишь разницей, что показатель коррозии до обработки у нее был почти в три раза выше, а после обработки он увеличился в четыре раза.
Чтобы объяснить полученные результаты, проводили химический анализ продуктов коррозии. Для этого раствор аспирина после опыта отфильтровывали и отдавали сам раствор на качественный химический анализ по катионам, а высушенный осадок - на спектральный анализ. Было установлено, что в растворах и в осадке присутствуют, в основном, катионы железа (III). Алюминий и титан были обнаружены лишь в микроскопических количествах. С учетом этого можно высказать предположение о возможном механизме электрохимической коррозии образцов после электровзрывной обработки. Через поры и трещины модифицированного легированием слоя электролит непосредственно контактировал с металлом основы. В местах контакта происходило анодное растворение металла. Сам слой, содержащий электропроводные бориды, при этом играл роль катода. В подобных случаях, например, при наличии несплошности в катодном покрытии, основной металл разрушается интенсивнее, чем без покрытия, и установившаяся скорость коррозии может быть значительной, увеличиваясь в десятки раз.
Результаты отдельных испытаний на износостойкость, особенно на сталях без обработки, заметно отличались друг от друга. Поэтому измерения проводили несколько раз. Микротвердость закаленной стали Х12М после бороалитирования возросла с 7550 до 12060 МПа, при этом масса образцов за время испытаний на абразивную износостойкость уменьшилась от среднего значения 2,1 до 0,6 мг.
Доверительный интервал до обработки составлял 0,7, а после нее - 0,1 мг. Микротвердость закаленной стали Р6М5 после электровзрывного легирования увеличилась от 4070 до 8420 МПа. Потеря массы образцов до обработки находилась в пределах от 0,6 до 2,0 мг, а после обработки - ог 0,8 до 1,4 мг. При этом для бо-роалитированной стали Р6М5 потеря массы изменялась в пределах от 0,6 до 1,0 мг.
Таким образом, проведенные исследования показали, что комплексное (двумя элементами) электро-взрывнос легирование поверхности металлов может использоваться для решения часто возникающих практических задач одновременного повышения не одного какого-либо свойства, а сложного сочетания двух или нескольких свойств, например, стойкости к окислению и изнашиванию. В то же время данные коррозионных испытаний показали возможные ограничения использования данного способа обработки поверхности.
