Особенности формирования наноструктурированных боридных слоев на штамповую сталь Х12МФ под воздействием интенсивных электронных пучков в вакууме

На сегодняшний день в условиях постоянно развивающейся техники возрастают требования к прочности материалов деталей машин, приборов и инструментов, а особенно к их жаропрочности и жаростойкости. Бориды переходных металлов обладают высокими температурами плавления (свыше 2000 оС) и значениями твердости, достаточно устойчивы к окислению, поэтому представляют особый интерес для формирования покрытий на их основе. Боридные слои имеют высокие физико-механические характеристики. Микротвердость слоев достигает 20000 МПа, причем эти значения микротвердости могут сохраняться до температур ~ 600–700 оС, что позволяет применять борирование для повышения износостойкости изделий из штамповой стали Х12МФ, работающих при высоких температурах [1–3].

Х12МФ — штамповая сталь холодного деформирования с повышенным содержанием хрома и включениями молибдена (ср. 0,5%) и ванадия (ср. 0,2%). Сталь X12МФ обладает хорошей теплостойкостью и прочностью, высокой прокаливаемостью, закаливаемостью и износостойкостью. Микротвердость стали Х12МФ 2560 МПа. Также эта сталь технологична, хорошо обрабатывается резанием и давлением, удовлетворительно шлифуется.

В настоящей работе получены слои в результате электронно-лучевого борирования (ЭЛБ) [4]. На предварительно подготовленную поверхность образцов наносили насыщающую обмазку толщиной 0,5-1 мм. В состав обмазки входили карбид бора В 4 С и органическое связующее.

Синтез боридов ванадия осуществляли на поверхности штамповой стали Х12МФ. Образцы готовили путем нанесения обмазки на предварительно подготовленную поверхность стали. В состав обмазки входили 1:1 по объему смеси оксида V 2 O 3 , бора аморфного и углерода, а также органическое связующее — раствор 1:10 клея БФ-6 в ацетоне.

Нагрев образцов осуществляли электронным пучком в импульсном режиме с параметрами: ускоряющее напряжение: U = 24 кВ; ток пучка: I r = 63 А. Обработку проводили с длительностью одного импульса: t = 20 мкс; количество импульсов: N = 1800; частота следования импульсов тока пучка: f = 6 Гц. Давление в вакуумной камере: 5 х 10 -2 Па [5, 6].

Электронный нагрев непрерывным пучком в течение 2-5 мин при удельной мощности 2-2,5 Вт/см². Остаточное давление в вакуумной камере не превышало: 2 х 10 -3 Па [7].

Результаты и их обсуждение

Металлографическим анализом установлено, что структуры поверхностных слоев, полученных в результате борирования импульсным и непрерывным электронными пучками на стали Х12МФ отличаются (рис. 1).

После ЭЛБ переходной зоны нет, видна чёткая граница между слоем и основным металлом. Слой состоит из округлых кристаллов, располагающихся на поверхности или в объеме и эвтектики. Толщина слоя составляет: после борирования импульсным электронным пучком 20–30 мкм, а после непрерывного пучка достигает 250–300 мкм. Малая толщина слоя после борирования импульсным электронным пучком объясняется тем, что пучок выбивает получившиеся СВС продукты до оплавления поверхности стали Х12МФ.

а

б

Рис. 1. Структура слоя на основе VB 2 на стали Х12МФ (а — импульсный электронный пучок), (б — непрерывный электронный пучок)

Рис. 2. Микротвердость слоя VB 2 на стали Х12МФ

(а — импульсный электронный пучок, б — непрерывный электронный пучок)

б

При измерении микротвердости слоев боридов ванадия с шагом 30-50 мкм обнаружено неравномерное распределение ее по толщине (рис. 2). Однако, во всех исследованных образцах наблюдалось закономерное распределение микротвердости в зависимости от толщины слоя. Отдельные очень редкие включения имеют HV ≈ 20000 МПа и располагаются в приповерхностных зонах слоя. Слои характеризуются наиболее сложной неупорядоченной структурой. Увеличение микротвердости основы до HV ≈ 5000 МПа объясняется тем что, она прошла закалку электронным пучком.

Боридные слои испытывали на термическую устойчивость и жаропрочность. Для этого все образцы нагревали в печи сопротивления КО-14 до определенных температур и выдерживали в течение 2 ч для установления равновесия.

На рис. 3 приведен график изменения массы с ростом температуры. Видно, что при увеличении температуры от 9000С и более идет потеря массы. Это связано с тем, что слой окислился и разрушился, что подтверждается исследованиями микроструктуры и микротвердости (рис. 4, 5).

Рис. 3. Изменение массы с ростом температуры

Исследования позволяют сделать вывод об использовании ЭЛБ для упрочнения режущих инструментов и др., испытывающих разогрев в процессе работы до высоких температур без существенного снижения эксплуатационных свойств.

Известно, что наряду с высокой твёрдостью и износостойкостью, боридные слои обладают и существенным недостатком — повышенной хрупкостью. Проведенные исследования показали, что использование электронного нагрева позволяет снизить хрупкость и повысить пластичность.

Рис. 4. Термическая стабильность боридных слоев после обработки непрерывным пучком на стали Х12МФ при нагреве на воздухе

После электронно-лучевого борирования слои более пластичны, чем после твердофазного. Кроме того, слои после электронно-лучевого борирования имеют гетерогенную структуру, сочетающую твёрдые (хрупкие) и более пластичные структурные составляющие. Такое сочетание отчасти объясняет отсутствие термических трещин при нагреве боридных слоёв до высоких температур.

После электронно-лучевого борирования слои более пластичны, чем после твердофазного. Кроме того, слои после электронно-лучевого борирования имеют гетерогенную структуру, сочетающую твёрдые (хрупкие) и более пластичные структурные составляющие. Такое сочетание отчасти объясняет отсутствие термических трещин при нагреве боридных слоёв до высоких температур.

Рис. 5. Микротвердость боридных слоев при нагреве на воздухе

Выводы

• 1.    Таким образом, в результате электронно-лучевой обработки в вакууме удалось сформировать слои боридов ванадия. Слои боридов ванадия имеют неравномерное по толщине строение, содержат различные фазы и, как следствие, неоднородное распределение физико-механических свойств (например, микротвердости). Твердые частички размером 5–7 мкм находятся

в пластичной эвтектике. Поверхность слоя имеет максимальные величины микротвердости.

Исследование микротвёрдости боридных слоёв после борирования импульсным и непрерывным электронными пучками позволяет использовать оба способа борирования для упрочнения режущих инструментов и др., испытывающих разогрев в процессе работы до высоких температур без существенного снижения эксплуатационных свойств.