Влияние содержания углерода в стали на структуру и свойства бороалитированного слоя

Одним из видов химико-термической обработки является бороалитирование. Бороалитирование – процесс одновременного или последовательного насыщения металлов и сплавов бором и алюминием. Применяется преимущественно для повышения жаростойкости и износостойкости, реже – коррозионной стойкости. Бороалитирование осуществляют различными способами. Наиболее распространенными являются следующие: 1) газовый, в порошках бор- и алюминийсодержащих веществ; 2) в пастах и суспензиях; 3) жидкий [1].

Настоящая работа посвящена исследованию процессов диффузионного насыщения углеродистых сталей в порошковых смесях. Наиболее часто в качестве насыщающей смеси для процесса бороалитиро-вания используют смеси на основе карбида бора (В 4 С) и алюминия. Использование борного ангидрида (В 2 О 3 ) вместо карбида бора значительно удешевляет процесс бороалитирования, при сохранении тех же результатов.

Принято считать, что присутствие углерода в насыщаемой стали приводит к уменьшению толщины диффузионного покрытия. Например, уменьшение толщины боридного покрытия на сталях по сравнению с техническим железом объясняется тем, что скорость диффузии бора в сталь гораздо меньшая, чем в техническое железо, поскольку в стали влияние d-уровня атомов α-Fе на процесс диффузии в значительной степени уже нейтрализовано атомами углерода и других примесей [1].

Целью данной работы является исследование влияния содержания углерода в стали на процесс формирования и свойства бороалитированного слоя.

Методика проведения исследований.

Бороалитирование стальных образцов проводили в насыщающей порошковой смеси (70%Al 2 O 3 +10%B 2 O 3 +20%Al)+2%NaF в тиглях с плавким затвором при температуре 950⁰С в течение 4-х часов.

В качестве исследуемых материалов были выбраны углеродистые стали марок: Ст3, 45, У8, У10.

Исследование микроструктуры проводили на оптических микроскопах «Leitz Metallux-3» и «Neo-phot-21». Микротвердость определяли на автоматическом микротвердомере 402MVD при нагрузке 0,05 кг. Термодинамические расчеты проводили по программе «Terra» в температурном интервале 650-950°С при атмосферном давлении. Микрорентгеноспектральный анализ проводили на растровом электронном микроскопе «JSM-6510LV JEOL» с системой микроанализа «INCA Energy 350», исследования фазового состава на рентгеновском дифрактометре «Bruker D8» с детектором «Vantec 2000». Съемка осуществлялась в режиме 2θ-θ. Источник рентгеновского излучения - рентгеновская трубка с анодом из меди, интервал съемки 19-47°.

Износостойкость определяли после нагружения образцов на машине трения СМЦ-2 в течение заданного времени весовым методом по уменьшению массы образца. Для определения износостойкости применяли схему «кольцо – вкладыш», моделирующую процесс изнашивания при сухом трении. Контактное давление в паре трения обеспечивали усилием, создаваемым механизмом нагружения в интервале 0-5 кН, скорость скольжения – 1 м/с, нагрузка – 70 кг/см2, контртело – закаленный диск из стали Р18. Изменение массы образцов регистрировали периодически (через каждые 10 минут) на аналитических весах.

Жаростойкость определяли после выдержки образцов в печи в течение заданного времени при постоянной температуре весовым методом по увеличению массы образца (ГОСТ 6130-71). Изменение массы образцов регистрировали периодически (через каждые 5 часов) на аналитических весах в течение 50 часов, температура испытаний 1000°С.

Результаты исследований и их обсуждение

В результате обработки получены слои, состоящие из двух основных зон: верхней сплошной зоны (алитированная часть слоя) и зоны кристаллов на границе слой-основа (боридная часть слоя) (рис. 1).

Алитированная часть располагается с внешней стороны бороалитированного слоя и состоит из трех фаз, располагающихся послойно. На поверхности располагается алюминид железа Fe 2 Al 5 , с микротвердостью 800-1100 HV [2]. Максимальная толщина данной зоны слоя наблюдается на стали У10 и составляет 70 мкм. На стали Ст3 толщина зоны алюминида Fe 2 Al 5 минимальная (5 мкм). Ниже располагается зона фазы FeAl. Фаза FeAl является упорядоченным α 2 твердым раствором, образовавшимся из твердого раствора на основе αFe в результате реакции упорядочения второго порядка. Концентрация алюминия в данной фазе лежит в пределах 22-32,57% (ат.) [3]. Микрорентгеноспектральный анализ показал, что содержание алюминия в слое снижается по направлению к основному металлу с 31 до 8% (ат.). Далее за FeAl следует зона твердого раствора алюминия в αFe. Данная зона характеризуется снижением микротвердости до 300 HV.

Боридная часть слоя преимущественно состоит из Fe 2 B. На стали Ст3 и 45 бориды Fe 2 B располагаются на границе с основой в виде цепочки вытянутых кристаллов (рис. 1, а, б). Микротвердость в данной зоне достигает 1800 HV. На сталях У8 и У10 под кристаллами Fe 2 B располагается зона карбидов. Судя по микротвердости и микроструктуре, данная зона состоит из карбоборида железа («борный цементит») Fe 3 (B,С) [4, 5]. На стали У8 они располагаются в виде мелких (длиной до 10 мкм) зубчатых кристаллов (рис. 1, г). На стали У10 после изотермического бороалитирования зона карбоборидов представлена разнонаправленными мелкими кристаллами в виде игл, располагающихся преимущественно по границам зерен основного металла.

Последовательность формирования слоя. В связи с тем, что атомный радиус бора (R B = 0,8 Å) меньше, чем у алюминия (R Al = 1,43 Å), вначале идет образование боридной зоны слоя. Формирование бороалитированного слоя на сталях Ст3 и 45 начинается с образования твердого раствора бора в железе, затем при превышении предела растворимости бора появлются кристаллы фазы Fe 2 B, из которых впоследствии формируется сплошной слой в виде «цепочки» кристаллов [6].

На сталях У8 и У10 помимо твердого раствора и борида Fe 2 B образуется фаза Fe 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 С. Впоследствии часть атомов углерода в решетке цементита замещается бором [7].

Дальнейший рост карбидов происходит под некоторым углом по направлению к основе. В случае со сталью У10, имеющей более развитую зону карбоборидов, происходит преимущественный их рост по границам зерен и блоков. В результате после изотермической выдержки с медленным охлаждением под боридным слоем образуются разнонаправленные игольчатые кристаллы.

С увеличением концентрации алюминия на насыщаемой поверхности начинает формироваться зона твердого раствора алюминия в α-железе. На данном этапе борирование полностью прекращается, и проходит алитирование стали. Формирование бороалитированного слоя заканчивается образованием на его поверхности Fe 2 Al 5 .

a

б                            ×200

×200

в

×200

Рис. 1. Микроструктуры бороалитированных слоев: а - на стали Ст3; б - на стали 45; в,г - на стали У8

г                     ×4000

Термодинамические расчеты показали возможность образования следующих соединений: FeB, Fe 2 B, FeAl, AlB 2 , Al 4 B 2 O 9 и Na 3 Al 2 F 6 . Образование фаз Fe 2 B и FeAl возможно во всем расчетном интервале температур (650-950°С), при этом количество Fe 2 B увеличивается с повышением температуры, а содержание FeAl незначительно уменьшается. Борид FeB, по-видимому, образуется на начальной стадии процесса насыщения, затем вследствие уменьшения концентрации бора переходит в борид Fe 2 B. Установлено, что область существовании фазы AlB 2 в насыщающей смеси ограничивается температурой 900°С (верхний предел). Кроме того, согласно результатам расчетов, содержание AlB 2 уменьшается с повышением температуры процесса (рис. 2).

Из исходных компонентов смеси остаются Al 2 O 3 и Al. Область существовании борного ангидрида B 2 O 3 и фторида натрия NaF ограничивается температурой 900°С, то есть, согласно расчетам, данные компоненты насыщающей смеси должны прореагировать полностью. Фазовый анализ подтвердил наличие в отработанной насыщающей смеси указанных фаз, за исключением фазы Na 3 Al 2 F 6 , содержание которой, вероятно, незначительно, и фазы FeAl. Алюминид FeAl не был выявлен из-за сильного отражения, но обнаружен другой алюминид Fe 2 Al 5 .

Рис. 2. Зависимость количества образующихся фаз от температуры процесса

Испытания на жаростойкость. Наиболее стойкой к воздействию высокотемпературной коррозии после бороалитирования оказалась сталь У10 (рис. 3). Относительный набор массы стали У10 в 30 раз меньше по сравнению со сталями Ст3, 45 и в 4 раза – по сравнению со сталью У8. Повышение жаростойкости на стали У10 после термоциклирования связано с повышенным содержанием Fe 2 Al 5 .

Микроструктура бороалитированного слоя на стали У10 претерпела существенные изменения после испытания на жаростойкость (рис. 4). В процессе испытания, в результате диффузии атомов алюминия вглубь и встречной диффузии атомов железа, концентрация алюминия на поверхности уменьшается, что приводит к снижению защитных свойств слоя. После 50 часов выдержки при температуре 1000°С толщина диффузионного слоя возросла в 2 раза и составила вместе с переходной зоной 420-450 мкм. Максимальная микротвердость снизилась в 1,7-1,8 раза. В слое образовались поперечные трещины.

Жаростойкость углеродистых сталей после изотермического бороалитирования

Время, ч

Ст3 45 У8 У10

Рис. 3. Кинетика окисления бороалитированных сталей: ♦ - сталь Ст3; ■ - сталь45, ▲ - сталь У8, • - сталь У10

×100

×100

Рис. 4. Микроструктуры бороалитированного слоя на стали У10: а - до испытания на жаростойкость; б - после испытания на жаростойкость

б

Выводы

• 1.    Содержание углерода влияет на толщину зон алитирующей составляющей слоя: с увеличением содержания углерода в стали увеличивается толщина зоны алюминида Fe 2 Al 5 . В высокоуглеродистых сталях под зоной борида Fe 2 B располагается зона карбоборида железа («борного цементита») Fe 3 (B,С).

• 2.    После бороалитирования более жаростойкими и износостойкими получаются высокоуглеродистые стали, менее жаростойкими и износостойкими – среднеуглеродистые и малоуглеродистые.