Влияние химико-термоциклической обработки на структуру и свойства бороалитированного слоя

Химико-термическая обработка (ХТО) является одним из наиболее эффективных и широко применяемых в промышленности методов повышения надежности и долговечности ответственных деталей машин, инструмента и технологической оснастки.

По сравнению с другими методами поверхностной обработки металлов (дробеструйный наклеп, накатка роликами, индукционная, газопламенная и электролитная закалка, лазерная обработка и т.д.) химико-термическая обработка, часто уступая им в производительности, имеет ряд существенных преимуществ [1].

Авторы выражают признательность за помощь в проведении экспериментов и обсуждении результатов исследований сотрудникам Института материаловедения Технического университета г. Дрездена (TUD):

• 1.    Leyens Christoph – Dr.-Ing., Prof., Inhaber der Professur für Werkstofftechnik;

• 2.    Vetter Birgit – Dr.-Ing., Oberingenieur, Professur für Werkstofftechnik;

• 3.    Habisch Kerstin ‒ Studentin.

ХТО можно подвергать детали любых размеров и конфигураций. Как правило, детали сложной конфигурации подвергать поверхностному упрочнению иными методами (например, накатка роликами или закалка ТВЧ) весьма сложно или вообще невозможно.

Диффузионное насыщение стали обычно проводят при высокотемпературной изотермической выдержке, что чаще всего приводит к сильному перегреву, резко ухудшающему механические свойства сталей. Стальная основа становится очень хрупкой, плохо выдерживает динамические нагрузки и непригодна для изделий ответственного назначения.

Основные недостатки изотермической ХТО можно устранить при совмещении этого процесса с термоциклической обработкой (ТЦО). Химико-термоциклическая обработка (ХТЦО) позволяет интенсифицировать процесс химического насыщения. Возникающие при ХТЦО структурные изменения ускоряют диффузию атомов в насыщаемый металл, так же ХТЦО позволяет не допустить перегрев (крупнозернистость) и другие дефекты структуры, получаемые при высокотемпературной ХТО.

Цель работы заключалась в исследовании формирования структуры и свойств бороалитированных слоев на углеродистых сталях, полученных в результате бороалитирования в условиях изотермического и термоциклического нагрева.

Материалы и методы исследования

Обработку проводили на образцах из сталей 20 и У12 размерами 10×10×5 мм. На образцы наносили обмазку состава (вес, %): 78 – B 4 C; 18 – Al; 4 – NaF [2,3]. Толщина обмазки составляла 4-6 мм. Изотермическую и термоциклическую обработку проводили при 950 °С, общее время процессов составляло 4 ч. Скорость охлаждения на воздухе и нагрева образцов между циклами составила 1,6 и 0,4 град/с соответственно, количество циклов – 4, 8 и 16 (рис. 1).

а                           б                           в

Рис. 1. Режимы термоциклирования: а ‒ 4 цикла; б ‒ 8 циклов; в ‒ 16 циклов

Металлографический анализ проводили с использованием оборудования Института материаловедения Технического университета г. Дрездена (TUD). Микротвердость определяли на микротвердомере ПМТ-3М. Рентгеноспектральный микроанализ проводили на растровом электронном микроскопе JSM-6510LV JEOL с системой микроанализа INCA Energy 350 в Центре коллективного пользования «Прогресс» ВСГУТУ.

Результаты исследования и их обсуждение

В результате изотермического и термоциклического бороалитирования на поверхности стали 20 были получены диффузионные слои конгломератного [4] типа (рис. 2). В алитированной части слоя, состоящей из алюминидов железа, располагаются бориды железа иглообразной формы, направленные перпендикулярно или под углом до 70-80º к основе металла. Распределение кристаллов бора в слое неравномерно, существуют участки с большей или меньшей концентрацией боридов. При ХТЦО не происходит роста зерна основного металла, так как термоцикликлическая обработка сокращает время нахождения металла при высокотемпературной выдержке.

Микротвердость по глубине слоя после изотермической и термоциклической обработок по режиму с 4 циклами составляет 450 – 500 HV, что соответствует алюминидам FeAl и Fe 3 Al. После обработки по режимам с 8 и 16 циклами микротвердость увеличивается до 800 – 850 HV, что соответствует алюминидам FeAl 3 и Fe 2 Al 5 [5]. Микротвердость игольчатых кристаллов, расположенных в основном слое, составляет 2500 – 2700 HV, что соответствует микротвердости борида железа FeB [5].

а

б

в

г

Рис. 2. Микроструктуры бороалитированных слоев на стали 20, ×400: а ‒ изотермический нагрев;

б ‒ термоциклирование 4 цикла; в ‒ термоциклирование 8 циклов;

г ‒ термоциклирование 16 циклов

При бороалитировании стали У12 на поверхности образуется иная структура диффузионного слоя, состоящая преимущественно из алитированной части (рис. 3). При изотермической выдержке бор образует соединения карборидов в виде разнонаправленных зубчатых кристаллов, располагающихся в переходной части слоя. После обработки по режиму с 4 циклами кабобориды имеют форму «мозаичной» структуры. С увеличением количества циклов карбориды образуются в виде округлых кристаллов.

После обработки стали У12 по изотермическому режиму максимальная твердость составляет 1000 – 1300 HV по всей глубине слоя, что близко по микротвердости к дибориду железа Fe 2 B, а после режима с 4 циклами микротвердость на поверхности слоя составила 1700 HV, далее микротвердость резко падает до 500 – 650 HV. После обработки по режимам с 8 и 16 циклами микротвердость составляет 900 – 1000 HV, далее снижается до 400 ‒ 700 HV и затем снова увеличивается до 850 HV в области округлых кристаллов борного цементита, находящихся в переходной зоне.

Согласно [6-8] формирование таких слоев происходит по следующему механизму: в связи с тем, что атомный радиус бора (R B = 0,08 нм) меньше, чем атомный радиус алюминия (R А1 = 0,143 нм), вначале идет образование боридной зоны слоя. Формирование бороалитированного слоя на низкоуглеродистых сталях начинается с образования твердого раствора бора в железе, затем при превышении предела растворимости бора появляются кристаллы фазы Fe 2 B, из которых впоследствии формируется сплошной слой в виде «цепочки» кристаллов.

а

б

в

Рис. 3. Микроструктуры бороалитированных слоев на стали У12, ×1000:

а ‒ изотермический нагрев; б ‒ термоциклирование 4 цикла; в ‒ термоциклирование 8 циклов; г ‒ термоциклирование 16 циклов

г

На высокоуглеродистых сталях помимо твердого раствора и борида Fe 2 B образуется фаза Fе 3 (B, С). В результате вытеснения углерода диффундирующими элементами с поверхности и самодиффузии железа образуется зона с повышенным содержанием углерода, который находится в виде фазы Fe 3 C. Впоследствии часть атомов углерода в решетке цементита замещается бором [9].

Раннее установлено [10], что структура округлых кристаллов борного цементита, образующаяся при термоциклировании на высокоуглеродистых сталях, оказывает положительное воздействие на механические свойства, в частности на износостойкость, так как при трении поверхности не происходит выкрашивания кристаллов из основы металла.

С увеличением количества циклов наблюдается уменьшение глубины слоя на всех ста- лях (рис. 4), так же уменьшается размер карбоборидов на стали У12 в переходной зоне с 13-15

до 4-5 мкм (рис. 5).

0              4              8             16

Количества циклов

■ Сталь 20 Сталь У12

Рис. 4. Глубина бороалитированного слоя в зависимости от способа обработки

Рис. 5. Размер карбоборидов на стали У12 в зависимости от способа обработки

Заключение

Установлено влияние количества циклов на формирование бороалитированных слоев в условиях термоциклического нагрева. В качестве ХТЦО для низкоуглеродистой стали можно рекомендовать режим с 8 циклами, так как при обработке по режиму с 4 циклами не образуются фазы с высоким содержанием алюминия, а при режиме с 16 циклами свойства слоя не меняются в отличие от 8 циклов, однако происходит уменьшение глубины слоя. На высокоуглеродистых сталях ХТЦО способствует измельчению и округлению кристаллов борного цементита в переходной зоне. Кроме того, ХТЦО оказывает положительное влияние на структуру основного металла.

Работа выполнена при финансовой поддержке гранта «Молодые ученые ВСГУТУ-2015».