Исследование фазового состава и дефектного состояния градиентных структур борированных сталей 45 и 5ХНВ

Ранее исследованы и описаны основные закономерности и механизмы борирования малоуглеродистой феррито-перлитной стали 10 [1-4]. Структуру борированного слоя изучали послойно с помощью тонких фольг, вырезанных на различном удалении от поверхности образца. Как было установлено, структура борированного слоя феррито-перлитной стали имеет более сложное строение, чем предполагалось в ранее описанных исследованиях. Переходная зона является карбоборидной. Фазовый состав внутри всей карбоборидной зоны не меняется, однако механизм ее формирования на разных участках (в слоях) различен. Карбоборидную зону можно разделить, в свою очередь, на четыре слоя (зоны): 1- слой, формируемый объемной диффузией бора; 2 - слой, где вклады от объемной диффузии бора и диффузии бора по границам, вновь образованным в ходе борирования материала, примерно равны; 3 - слой, где диффузия бора идет преимущественно по вновь созданным границам; 4 - слой, где диффузия бора идет практически только по старым границам (границам зерен).

Было показано, что процесс борирования реализуется семью механизмами: 1.Реакционной диффузией по межфазным границам. 2.Диффузией по новым границам зерен. 3.Диффузией по старым границам зерен. 4.Диффузией вместе с мигрирующими границами. 5.Диффузией по субграницам. 6.Диффузией по дислокациям. 7.Диффузией в бездефектном объеме материала.

Для каждого слоя в таблице 1 обозначен основной механизм (буквой А). Вторичные механизмы, влияние которых заметно, но меньше влияния основного механизма, обозначены буквой Б, а механизмы, которые действуют, но мало влияют на процесс, обозначены В.

Первый слой формируется реакционной диффузией. Диффузия по новым границам дает основной вклад во 2, 3 и 4 слоях. В 4 слое также значительный вклад дает объемная диффузия. В 5 и 6 слоях, наряду с диффузией по старым границам, миграция старых границ делает свои вклады основными.

Таблица 1

Механизмы диффузии в процессе борирования стали

Номер слоя	Расстояние от поверхности образца	Виды диффузии
		Реакционная по межфаз. границам	По новым границам	По старым границам	Вместе с мигрирующими границами	По субграницам	По дислокациям	В объеме материала
1	Поверх ность	А	-	-	В	-	-	В
2	125мкм	-	Б	В	Б	-	В	Б
3	225мкм	-	А	В	Б	В	В	Б
4	350мкм	-	А	В	Б	В	В	А
5	500мкм	-	А	В	Б	В	В	Б
6	2,5 мм	-	-	А	В	-	В	-
Центр образца	6,5 мм	-	-	-	-	-	-	В

Установлено, что формирующиеся в ходе борирования новые границы зерен и субзерен выполняют тройную роль. Во-первых, они служат основным каналом насыщения атомами бора и углерода ос -новных глубинных слоев. Во-вторых, на них локализована большая часть карбоборидов. В-третьих, на них расположена значительная часть атомов бора и углерода, еще не образовавшихся карбоборидов. Установлено, что диффузия по границам зерен является главным механизмом карбоборирования за исключением наружного слоя, где решающим фактором является реакционная диффузия [5 - 7].

Материал и методики исследования

Проведены экспериментальные исследования структуры и фазового состава борированного слоя на поверхности сталей. Исследованы феррито-перлитные среднеуглеродистые стали 45 и 5ХНВ (рис. 1 -4).

Исследования проводились тремя методами: 1) методом растровой электронной микроскопии (РЭМ); 2) методом электронной дифракционной микроскопии (ПЭМ) и 3) методом рентгеноструктурного анализа (РСА). Исследование поверхности, выполненное методом РЭМ, проведено с помощью электронного микроскопа Tesla BS-301. Электронно-микроскопические исследования проведены на электронном микроскопе ЭМ-125 при ускоряющем напряжении 125 кВ. Идентификация фазового состава и определение размеров и объемной доли выделений проводились по изображениям, подтвержденным микродифракционными картинами и темнопольными изображениями, полученными в соответствующих рефлексах.

Рис.1. Структура борированной стали 45 (х 400)

Рис.2. Микроструктура боридного слоя феррито-перлитной стали. Отмечены присутствующие фазы, установленные с помощью метода дифракционной электронной микроскопии. Разрез сделан параллельно поверхности образца на глубине 40 мкм

Съемки рентгенограмм проводили на дифрактометре ДРОН-3 в монохроматическом Fe-K a излучении с автоматической записью на диаграммную ленту.

Для приготовления фольг для просмотра в электронном микроскопе из образцов на различных глубинах вырезались тонкие пластинки толщиной 0.2 – 0.3 мм на электроискровом станке. Режим вырезки был подобран таким образом, что не вносил дополнительной деформации и, следовательно, не влиял на структуру образца. Фольги полировались электролитически. Состав электролита: пересыщенный раствор ортофосфорной кислоты хромовым ангидридом. Температура электролита при приготовлении фольг составляла 30-50оС.

По снимкам, полученным в электронном микроскопе, измерялись следующие параметры: средние размеры зерен; размеры, плотность и объемные доли выделений; скалярная плотность дислокаций, амплитуда кривизны-кручения кристаллической решетки.

Фазовый состав диагностировался по дифракционным картинам, полученным двумя способами: 1) рентгеновскому дифракционному анализу и 2) дифракционной электронной микроскопии.

Изображение (рис.3) получено на поверхности образца (слой I): а – светлопольное изображение; б

- темнопольное изображение, полученное в совпадающих рефлексах [221]3 + [130]1-2; в - микроди- фракционная картина, полученная с участка (а), содержит рефлексы, принадлежащие плоскостям

( 931 ) 1 , ( 621 X и ( 134 ) з

, где 1 и 2 – борид FeB, 3 – борид Fe8B. Белой стрелкой на (б) отмечена частица борида Fe2B.

Рис.3. Тонкая структура борированной стали 45

Рис.4. Тонкая структура борированной стали 5ХНВ. Изображение получено на расстоянии 60 мкм от поверхности образца (слой II): а - светлопольное изображение; б - микродифракционная картина; в - её схема (разными значками отмечены рефлексы, относящиеся к плоскостям фаз, указанных ниже). Белыми стрелками на (а) отмечены частицы борированного цементита Fe3(C,B), черными - частицы карбоборида Fe23(C,B)6, фигурными - частицы борида Fe2В, расположенного по границам кристалла FeВ

Результаты и их обсуждение

В данной работе выделим общие закономерности и особенности процессов структурообразования в борированных сталях разного состава.

Поверхностная структура в исследуемых сталях фактически формируется тремя химическими элементами: железом, бором и углеродом. Железо является основным элементом, бор - основным легирующим элементом на поверхности, углерод присутствует в количестве, введенном в стали.

В результате проведенных исследований установлено следующее:

• 1.    В любой точке образца присутствуют зерна феррита разной степени легированности.

• 2.    Присутствует пластинчатый перлит в виде зерен или прослоек по границам зерен феррита. Перлит представляет собой чередование параллельных пластин феррита и карбида железа.

• 3.    Карбоцементит (борный цементит) Fe₃(C,B), в котором часть углерода замещена бором. Присутствует борированный цементит в основном в переходной зоне.

• 4.    Карбоборид Fe₂₃(C,B)₆ располагается в теле зерна феррита на дислокациях.

• 5.    Карбид бора B 4 C присутствует в стали только на поверхности диффузионного слоя .

• 6.    Борид железа Fe₂B - представляют собой иглообразные формы (см. рис.1).

• 7.    Борид железа FeB - присутствуют в боридном слое в виде частиц округлой формы.

Как отмечено выше, диффузия атомов бора идет по дефектам кристаллического строения и реализуется семью механизмами (табл.1), бориды FeB, которые представляют собой крупные кристаллы и составляют основу слоя, являются бездефектными (рис. 5), поэтому слой I - это бездефектный слой.

В слое II, помимо боридов FeB и Fe2B, присутствует a-фаза, обладающая дефектной (дислокационной) структурой (рис.6 а-б). Скалярная плотность дислокаций (измерения выполнены методом секущих [8]) в этом слое достаточно велика и составляет величину -4.5-1014 м-2 (табл. 2). По мере удаления от борированной поверхности плотность дислокаций в стали 5ХНВ возрастает с выходом на насыщение (см. табл. 2). Такая же зависимость наблюдается в стали 45.

Можно констатировать, что борирование формирует своеобразный особый вариант дислокационной структуры по слоям. В слое I, как и в слое II, крупные бориды железа бездефектны. В a-фазе дислокации всегда присутствуют, и их скалярная плотность увеличивается при удалении от борированного слоя. Совершенно очевидно, что зависимость р = Т(Х) представляет собой зависимость, обратную зависимости С В = 1(Х). Этому можно дать объяснение.

Рис.5. Тонкая структура борированной стали 5ХНВ. Изображение получено на расстоянии 10-20 мкм от поверхности образца (слой I): а – светлопольное изображение; б – темнопольное изображение, полученное в рефлексе [1 20] FeB ; в – микродифракционная картина, полученная с участка (а), содержит только рефлексы, принадлежащие плоскости ( 63 5 ) FeB. Белыми стрелками отмечены частицы борида Fe 2 B, расположенные на границах кристаллов FeB

Таблица 2

Количественные параметры структуры (данные ПЭМ)

Диффузионный слой		Сталь 5ХНВ		Сталь 45
		ρ⋅ 10-14,м-2	χ , см-1	ρ⋅ 10-14,м-2	χ , см-1
Борированный слой	I	Бездислокационный слой
	II	4,4	870	2,8	-
Промежуточный слой	III	5,6	0	-	-

Рис.6. Дислокационная структура борированной стали 5ХНВ на разных расстояниях от поверхности борирования: а- 60 мкм, б- 80 мкм, в- 150 мкм, г- 820 мкм (а, б - слой I, в – слой II)

Наиболее равновесная структура – это бориды железа. Они практически не напряжены и не генерируют дислокации. Поскольку бор не растворяется в кристаллической решетке a-фазы, он осаждается на дефектах кристаллического строения – дислокациях, границах зерен и может оказаться даже в вакансиях.. Растворенные таким образом атомы бора создают внутренние напряжения и генерируют дислокации. Другое место локализации атомов бора – мелкие частицы карбоборидов Fe 3 (C,B) и Fe 23 (C,B) 6 . Рост этих частиц создает внутренние напряжения и генерирует дислокации.

Заключение

• 1.    Исследованы структуры диффузионных слоев, полученных насыщением сталей в условиях, когда существовали возможности образования больших количеств как карбидов, так и интерметаллидов.

• 2.    Исследованы и описаны основные закономерности и механизмы борирования ферритоперлитной стали. В результате проведенных исследований установлено следующее:

• а)    В любой точке образца присутствуют зерна феррита разной степени легированности.

• б)    Присутствует пластинчатый перлит в виде зерен или прослоек по границам зерен феррита. Перлит представляет собой чередование параллельных пластин феррита и карбида железа.

Детальное исследование тонкой структуры борированных слоев стали 45 и стали 5ХНВ, их фазового состава и плотности дефектов показало, что вне зависимости от типа стали формируется 4 основных слоя. Первый слой почти полностью состоит из борида железа FeB. В небольших количествах присутствуют бориды Fe 2 B и в отдельных случаях Fe 8 B. Во втором слое бориды железа не занимают весь объем. Наряду с ними присутствует a-фаза и карбобориды Fe 3 (C,B) и Fe 23 (C,B) 6 . Третий слой содержит остатки боридов железа. Бор в этом слое расположен, в основном, в карбоборидах. Четвертый слой сохраняет исходную структуру.

В работе детально исследован фазовый состав и дефектное строение всех выделенных слоев. Установлено, что во всех сталях по мере удаления от поверхности борирования концентрация атомов бора уменьшается, в то время как плотность дефектов кристаллической решетки возрастает. Это связано с удалением от равновесной структуры по мере удаления от борированной поверхности.