Жаропрочность слоев боридов переходных металлов на углеродистой стали СТ20

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

В работе получены слои в результате электронно-лучевого борирования (ЭЛБ) [4]. На предварительно подготовленную поверхность образцов наносили обмазку толщиной 0,5-1 мм. В состав насыщающей обмазки входили карбид бора В 4 С и органическое связующее. Электронный нагрев – в течение 2-5 мин при удельной мощности 2-2,5 Вт/см². Остаточное давление в вакуумной камере не превышало 2 x 10 -3 Па. Твердофазное борирование методом ХТО проводили при температуре 950 ° С в течение 4 ч в порошковой смеси, содержащей 97 мас. % В₄С и 3 мас. % KBF₄, в контейнере с плавким затвором [5].

Результаты и их обсуждение

Исследование структуры поверхностных слоёв после твердофазного борирования и ЭЛБ выявило особенности строения. После твердофазного боридный слой имеет игольчатое строение, под ним располагается переходная зона. 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 (рис. 1). Толщина слоя достигает после твердофазного борирования 70-90 мкм, а после электронно-лучевого – 250-300 мкм.

Рис. 1. Микроструктура боридных слоев на стали 20: а – твердофазное борирование; б – электронно-лучевое борирование

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. 2 показано влияние температуры дополнительного нагрева после формирования на микротвёрдость боридных слоёв. Измерена микротвердость отдельных составляющих боридных слоев, а именно игл, сформированных при твердофазном борировании (1), округлых включений (2) и эвтектики (3) в слоях после электронно-лучевого борирования. Если в исходном состоянии боридные слои, полученные в результате твердофазного борирования, обладают более высокой твёрдостью по сравнению со слоями, полученными при электронно-лучевом борировании, то при нагреве до температуры 800-900оС микротвёрдость становится практически сопоставимой.

Рис. 2. Влияние температуры нагрева на микротвердость НV 50 боридного слоя: 1 – твердофазное борирование; 2 – округлые включения (ЭЛБ); 3- эвтектика (ЭЛБ)

При исследовании микроструктуры выявлено, что, начиная с температуры 700 ° С в боридных слоях, полученных в результате твердофазного борирования, образуются трещины. Увеличение температуры нагрева приводит к росту трещины. В слоях, полученных при ЭЛБ, трещины не обнаружены (рис. 1). Дальнейшее повышение температуры нагрева до 1300^оС на воздухе приводит к постепенному уменьшению толщины боридных слоев (рис. 3). Наиболее интенсивно это наблюдается в слоях, сформированных при твердофазном борировании, в которых происходит потеря массы слоя и полное его разложение при температурах выше 1150-1300^оС. В слоях, полученных при электронно-лучевом борировании, трещины не обнаружены.

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. В таблице 1 представлена сравнительная оценка балла хрупкости. Ее оценивали по методике [6, 7] при измерении микротвердости.

1000оС                    1100оС                    1200оС                    1300оС

Рис. 3. Термическая стабильность боридных слоев (сталь 20) при нагреве на воздухе, ×250

Хрупкость боридных слоев на стали Ст20

Таблица 1

Твердофазное борирование		Округлые кристаллиты (электронно-лучевое борирование)		Эвтектика (электронно-лучевое борирование)
Нагрузка, г	Балл хрупкости	Нагрузка, г	Балл хрупкости	Нагрузка, г	Балл хрупкости
20	0	50	0	70	0
50	1	70	1	100	0
70	2	100	2	120	0
100	4	120	4	150	1
120	5	150	4	-	-

Из данных таблицы 1 следует, что 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.

Хрупкость боридных слоев зависит от фазового состава. Как известно [2], балл хрупкости борида Fe 2 B меньше в два раза по сравнению FeB [3]. В целом, балл хрупкости определяется фазовым составом боридного слоя. По данным рентгенофазового анализа, слои после твердофазного борирования состоят из боридов Fe 2 B, FeB и борированного цементита. Слои двухфазны. Первая зона состоит из боридов, на поверхности располагаются иглы FeB, под ними Fe₂B, а затем переходная зона, содержащая борированный цементит. Наряду с высокой хрупкостью боридный двухфазный слой имеет ярко выраженную склонность к скалыванию. Скалывание происходит на границе раздела фаз. В однофазном слое скалывание наблюдается на границе непрерывного слоя. Следовательно, однофазные слои боридов меньше склонны к скалыванию.

В качестве одной из оценок хрупкости боридных слоев используют склонность их к скалыванию. Скалывание боридного слоя при различных испытаниях на прочность в большинстве случаев начинается при общем относительном удлинении или сжатии, равном не менее 1-2%. Двухфазные (FeB + Fe 2 B) боридные слои начинают скалываться при пластической деформации 1,5-3%, а однофазные (Fe 2 B) – при 3-4,5%. Пластичность двухфазного боридного слоя составляет 2%. С увеличением толщины слоя склонность к скалыванию и однофазных, и двухфазных слоев увеличивается. В табл. 2 приведена сравнительная оценка показателей хрупкости (σ ск ) и пластичности (ε пред ) боридных слоев, сформированных электронно-лучевой обработкой.

Исследование ε пред и σ ск , позволило дать оценку пластическим свойствам слоев на основе боридов железа как на поверхности, так и в глубине слоя. Снижение хрупкости боридных слоев при электронно-лучевом борировании связано с отсутствием трещин при нагреве, поскольку для их возникновения требуются гораздо большие усилия. ЭЛБ слои более пластичны, чем после твердофазного борирования. Кроме того, слои после ЭЛБ 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.

Таблица 2

Механические свойства боридных слоев на стали 20

№	Обработка	Марка материала	ε пред	σ ск , МПа	Балл хрупкости
1	Твердофазное борирование	Сталь 20	1,13	245	4
2	Электронно-лучевая	Сталь 20	1,65	484	3

Выводы

• 1.    Выравнивание микротвёрдости боридных слоёв после традиционного и электронно-лучевого борирования при высоких температурах (900^оС) позволяет сделать вывод об использовании ЭЛБ для упрочнения режущих инструментов и др., испытывающих разогрев в процессе работы до столь высоких температур без существенного снижения эксплуатационных свойств.

• 2.    Формирующиеся при ЭЛБ на поверхности слои имеют гетерогенную структуру, сочетающую твёрдые и мягкие составляющие и приводящую к снижению хрупкости боридного слоя.