Влияние электронно-лучевой обработки на формирование фазового состава диффузионного покрытия при борировании

УДК 669

ВЛИЯНИЕ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ ОБРАБОТКИ НА ФОРМИРОВАНИЕ ФАЗОВОГО СОСТАВА

ДИФФУЗИОННОГО ПОКРЫТИЯ ПРИ БОРИРОВАНИИ

Б.Д. Лыгденов, В.А. Бутуханов,

Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления

Цзя Инь

Уханьский текстильный университет, Китай

В статье приведены результаты исследований фазового состава диффузионного слоя, полученного с использованием электронно-лучевой обработки. Подробно описан механизм формирования диффузионного слоя в условиях высокого градиента температур при нагреве и охлаждении.

Ключевые слова: химико-термическая обработка, электронно -лучевая обработка, фазовый состав диффузионного слоя, сталь, рентгеноспектральный анализ.

Метод упрочнения поверхности борированием привлекает специалистов различных отраслей промышленности. Единственным ограничением, препятствующим его широкому распространению, является низкая пластичность бориро-ванного слоя, которая затрудняет применение борирования для упрочнения поверхности деталей, работающих в условиях знакопеременного нагружения, а также работающих в условиях динамических и термических ударов [10].

Эффективным и экономичным путем повышения долговечности деталей, работающих в условиях циклических нагрузок, контактной усталости и истирания, является создание на их поверхностях прочных, долговечных и коррозионно-стойких слоев. Известно много традиционных способов создания поверхностных слоев (нанесением и модифицированием) с целью повышения служебных свойств деталей машин. Наиболее широкое применение нашли методы поверхностной закалки, различные химико-термические способы обработки (ХТО), наплавки, гальванические методы осаждения покрытий и т.д. Возможности этих методов в значительной мере уже исчерпаны [16]. В связи с этим в последнее время интенсивно расширяется примене-

ние электронно-лучевых (пучковых) технологий упрочнения деталей. Применение электронного пучка позволяет существенно сократить время формирования боридного слоя по сравнению с длительностью традиционного борирования [17].

В настоящей работе исследованы структура и свойства слоев на основе бо-ридов железа на углеродистых сталях под воздействием электронного пучка в вакууме.

Методика проведения исследования

Исследования проводили на образцах из углеродистых сталей 20 и У12. На предварительно подготовленную поверхность образцов наносили обмазку, содержащую карбид бора. Насыщение из обмазок обеспечивает экономный расход смеси и возможность получения в зоне упрочнения большой концентрации вводимого элемента. Высокотемпературный электронный нагрев проводили с помощью установки электронно-лучевой наплавки на базе ЭЛУ-5. На основании предварительно проведенных экспериментов процесс осуществляли по следующему режиму: сила тока пучка электронов !=60 mA, скорость перемещения заготовки относительно электронного луча V=3 мм/сек. Микротвердость сформированных покрытий определяли на

микротвердомере ПМТ-3. Нагрузка на алмазную пирамиду составляла 0,5 Н. Микроструктуру образцов исследовали на металлографическом микроскопе «Neophot-21». Рентгеноспектральный микроанализ проводили в Центре коллективного пользования «Прогресс» ФГБОУ ВПО «ВСГУТУ» на растровом электронном микроскопе «JSM-6510LV, JEOL» с микроанализитором «INCA Energy 350, Oxford Instruments».

Результаты исследований и обсуждение

При указанных режимах обработки обмазка переходила в расплавленное состояние вместе с поверхностным слоем стальных образцов. Сформированы градиентные слои со структурой гетерофаз-ного типа. Толщина слоев на исследуемых сталях составляет более 1 мм. В обоих случаях видна четкая граница между слоем и основным металлом. Переходная зона не наблюдается.

Закономерности структурообразо-вания при анализе строения слоя целесообразно рассматривать с помощью диаграммы состояния «железо-бор» (рис. 1).

Рис.1. Диаграмма состояния системы Fe-B [18]

Известно, что при традиционном борировании после насыщения а- или у-твердых растворов железа атомы бора и железа образуют первые участки борид-ного слоя (БегБ). При температуре ХТО вследствие постоянной активности насыщающей среды и накопления атомов бора их концентрация в местах флуктуа-ций оказывается достаточной для образования борида БеБ [10].

Согласно работе [4], соответствие превращений диаграммам состояния возможно только при бесконечно малых скоростях охлаждения. Так, в неравно-

весных условиях нагрева и охлаждения при воздействии концентрированных потоков энергии происходит формирование принципиально иной структуры диффузионного слоя, нежели в случае традиционной ХТО.

Высокая скорость протекающих при электронно-лучевой обработке процессов и кратковременность пребывания металла в расплавленном состоянии приводят к тому, что концентрация бора снижается от облучаемой поверхности к сердцевине образцов.

Рис. 2. Кривые охлаждения сплавов 1-111 системы Ге-Б

В верхних зонах обрабатываемого материала происходит кристаллизация по кривой охлаждения сплава I (рис. 2, а). В точке 1 из жидкости выпадают первичные кристаллы БеБ. В точках 2-2" в результате взаимодействия жидкости и моноборида железа БеБ происходит перитектическое превращение Ь + БеБ ^ Бе2Б, вследствие которого происходит образование борида Бе2Б [15]. По мере снижения концентрации бора дальнейшая кристаллизация соответствует кривой охлаждения сплава II (рис. 2, б). В точках 2-2" наступает эвтектическая реакция. Кроме первичных кристаллов бо-ридов, выделившихся при охлаждении

(кривая охлаждения сплава I), образуется еще эвтектика. Такая структура является структурой заэвтектического типа. Структура эвтектического типа формируется при дальнейшем снижении концентрации бора в соответствии с кривой охлаждения сплава III (рис. 2, в). Эвтектика в данной системе представляет собой механическую смесь кристаллов у-фазы (при охлаждении преобразующейся в а-фазу) и боридов Бе2Б.

Схема процесса кристаллизации слоя при электронно-лучевом борировании представлена на рис. 3.

Рис. 3. Схема кристаллизации:

а) выделение первичных кристаллов БеБ; б) образование ободков БегБ вокруг кристаллов БеБ; в) конечная структура: кристаллы БеБ правильной формы, кристаллы БегБ округлой формы и эвтектика

Процессу затвердевания предшествует выделение одной из фаз в виде первичных кристаллов (рис.3,а). Согласно А.А. Бочвара [2], в процессе кристаллизации происходит сначала преимущественное выделение одной из фаз, а затем отложение другой. Базовой должна быть фаза, обладающая более сложной кристаллохи-мической природой. Поверхностное натяжение на границе такой фазы с расплавом велико, что и предопределяет возможность зарождения и роста на этой фазе второй фазы. Таким образом, моноборид железа с наличием высокопрочных связей кова-лентного типа кристаллохимически более сложен, чем фаза Fe2B, для которой характерна большая металлизация межатомных связей. Первичные кристаллы успевают вырасти до известной величины, прежде чем на их поверхности образуется дендритная оболочка второй фазы (рис.3, б). Форма кристаллов также связана со скоростью охлаждения [18]. Затвердевание при малой скорости охлаждения приводит к формированию кристаллов в виде ромбоэдров, и в сечениях плоскости шлифа они представлены призмами или искаженными ромбами. С увеличением переохлаждения и вследствие того, что теплоотвод происходит в сторону сердцевины образца, начинают преобладать округлые формы роста. Моноборид железа FeB кристаллизуется в виде полиэдров, на которых зарождается Fe2B в виде округлых дендритов. Кристалл FeB оказывается заключенным в оболочку Fe2B. Остатки жидкости при охлаждении кристаллизуется в виде эвтектики (рис. 3, в).

Зарождающей фазой является моноборид железа FeB (в отличие от традиционного борирования). Структурными составляющими являются бориды (FeB, Fe2B) и эвтектика пластинчатого типа (а-фаза+Fe^). Схемы слоев, сформированных на сталях У12 и 20, изображены на рис. 4, 5.

Рис. 4. Схема борированного слоя на стали У12, полученного электронно-лучевой наплавкой в вакууме: А - зона округлых боридов и боридов правильной формы; Б - зона заэвтектического состава; В - зона эвтектического состава; Г -зона основного металла

Рис.5. Схема борированного слоя на стали 20, полученного электронно-лучевой наплавкой в вакууме: А - зона округлых боридов и боридов правильной формы; Б - зона заэвтектического состава; В - зона эвтектического состава; Г -зона основного металла

В обоих случаях в слоях в направлении от поверхности образцов образуются следующие зоны: А) зона боридов правильной формы и боридов округлой формы; Б) зона заэвтектического состава; В) зона эвтектического состава; Г) зона основного металла.

Рис.6. Тонкое строение зоны боридов правильной формы, зафиксированное методом растровой электронной микроскопии: а) сталь У12; б) сталь 20

В зоне А бориды имеют различную форму. Геометрическая форма округлых кристаллов Бе2Б может быть определена как неправильная. Правильные кристаллы БеБ с формой параллелограмма ориентированы в одном направлении. Некоторые из них представляют собой пустотелые каркасы (рис.6, а). Причиной этого является малая концентрация бора. Бор расходуется на построение образующегося по перитектической реакции бо-рида Бе2Б. При недостатке бора кристалл БеБ не успевает вырасти монолитным. В зависимости от количества недостающего бора встречаются бориды П-образной и Г- образной формы. Содержание бора колеблется от 8 до 9 мас.%. На стали У12 формируется зона сплошных округлых боридов Бе2Б с содержанием бора около 3-4 мас.%. В результате роста боридов в формируемом слое происходят их столкновения друг с другом. Однако, на стали

20 формируется структура с отсутствием 11 с I '• ашаа ик а яш V  ^Мшшшк

г^Жг.. ы -Ш

..-•V ч ЗВШН -

у-Л

шЫШш-

. рщ • — 4-,

ч- < ..-'•- г-Г^г-

„.••-• • '•»V-- '.¿у.

^¡СИН

Электронное изображение 1

слоя сплошных боридов. Округлые бориды Бе2Б располагаются разрозненно и содержат 5-6 мас.% бора. В промежутках между ними располагается эвтектика с содержанием 3-4 мас.% бора. Отсутствие сплошного слоя округлых боридов обусловлено тем, что бор был израсходован на формирование боридов правильной формы. Так, бориды правильной формы в слое на стали 20 имеют повышенное по сравнению со сталью У12 содержание бора - 10-11 мас.%. Этим объясняется их законченная геометрическая форма без признаков наличия пустотелых построений (рис. 6, б).

В зоне Б в связи с понижением концентрации бора объемная доля бори-дов снижается. Кристаллы выделяются в виде крупных дендритов с осями первого порядка или с осями первого и второго порядков (рис.7). Содержание бора в указанных дендритах на стали У12 составляет 3-4 мас.%, на стали 20 - 5-6 мас.%.

' ' г % У У

я

Ш

'ШВ1П1

Электронное изображение 1

а)

Рис.7. Тонкое строение зоны заэвтектического тронной микроскопии: а) сталь У12; б) сталь 20

б)

состава, зафиксированное методом растровой элек-

m - ' - -.. "НВЕ - j. ! , - -г*1, - , SED

!#>- ЛШШ!: ?- • ". ь > • • Щ f- ' . •• v. if, - '• v -v J;' о   :"Г- г?

iMi> m SHE

м- . г V

- •<•;

б)

Рис.8. Тонкое строение зоны эвтектического состава, зафиксированное методом растровой электронной микроскопии: а) сталь У12; б) сталь 20

К основному металлу (зона В) примыкает зона, в которой бориды отсутствуют. В ней наблюдается эвтектика пластинчатого типа с содержанием бора 1-2 мас.% (рис. 8).

Выводы

Боридные слои, полученные с использованием электронно-лучевой обработки в вакууме, имеют толщину многократно превышающую толщину покрытий, полученных традиционными методами борирования..

Фазы в поверхностном слое, формируемом при электронно-лучевом бори-ровании, образуются в соответствии с диаграммой состояния Fe-B [5-9].

Микроструктура при электроннолучевом борировании имеет явные преимущества перед микроструктурой слоя, полученного традиционным диффузионным борированием, имеющего ярко выраженное слоистое строение: вверху сплошной слой из моноборида FeB и расположенный под ним слой Fe2B. Такое строение обусловливает ряд существенных недостатков, основным из которых является то, что твердость по слою меняется ступенчато, вследствие чего происходит скол высокотвердой и хрупкой фазы FeB в процессе эксплуатации изделия. Согласно принципу Шарпи, наиболее твердые структурные составляющие должны залегать в виде изолированных друг от друга включений, а наиболее вязкие - образовывать сплошную

матрицу. Формирование слоев, удовлетворяющих данному требованию, возможно при применении электроннолучевого борирования.

Одним из факторов, сдерживающих широкое применение борирования, является высокая хрупкость покрытий, обусловленная наличием высокотвердой фазы FeB [3, 12-14]. Кроме того, из литературы известно [10, 11, 16, 17], что при традиционном борировании FeB в сочетании с Fe2B образует концентраторы остаточных механических напряжений, вызывая при эксплуатации изделия растрескивание диффузионного слоя. Таким образом, присутствие фазы FeB в бориро-ванных сталях следует ограничивать.

ЛИТЕРАТУРА

1. Банных, О. А. Диаграммы состояния двойных и многокомпонентных систем на основе железа / О. А. Банных, П. Б. Будберг, С. П. Алисова и др.. - М.: Металлургия, 1986. - 440 с.

2. Бочвар, А.А. Металловедение /А.А. Бочвар. -М.: Изд. ГНТИ «Черная металлургия», 1956.- 496 с.

3. Бутуханов, В.А. Диффузионное упрочение сталей в насыщающей среде V+AL+B4C / В.А. Бутуханов, Н.Г. Суханов, Б.Д. Лыгденов и др. //Фундаментальные проблемы современного материаловедения, т. 10.-2013.-№1.-С. 146-148.

4. Голиков, И.Н. Дендритная ликвация в стали / И.Н. Голиков - М.: Металлургиздат, 1958. - 207 c.

5. Гурьев А.М. Интенсификация процессов химико-термической обработки металлов и сплавов / А.М.Гурьев, Б.Д. Лыгденов, О.А. Власова

//Фундаментальные исследования.- 2008. - №8.-С.10.

6. Гурьев, А.М. Новые методы диффузионного термоциклического упрочения поверхности стальных изделий бором совместно с титаном и хромом / А.М.Гурьев, Б.Д. Лыгденов, С.Г.Иванов и др. // Успехи современного естествознания. -2007. -№10.- С. 84-85.

7. Гурьев, А.М. Исследование процессов диффузии в стали при циклическом тепловом воздействии / Гурьев, А.М, Ю.П. Хараев, О.А. Гурьева и др. // Современные проблемы науки и образования.- 2006.- №3.- С. 65-66.

8. Гурьев, А.М. Распределение атомов бора и углерода в диффузионном слое после борирования стали 08КП / А.М.Гурьев, Б.Д. Лыгденов, В.И. Мосоров и др. // Современные наукоемкие технологии.- 2006.- №5.- С.35-36.

9. Гурьев, А.М. Циклическое тепловое воздействие при термической и химико -термической обработке инструментальных сталей / А.М. Гурьев, Л.Г. Ворошин, Ю.П. Хараев и др. // Фундаментальные проблемы современного материаловедения, т. 2. - 2005. -№3. -С. 37-45.

10. Крукович, М.Г. Пластичность борированных слоев / М.Г. Крукович, Б.А. Прусаков, И.Г. Сизов. - М.: Физматлит, 2010. - 235 с.

11. Лыгденов, Б.Д. Прогрессивные диффузионн-ные покрытия / Б.Д. Лыгденов, А.М.Гурьев, В.И. Мосоров и др.- Lulu Press, Inc. Raleigh, North Carolina, USA, 2015. - С. 131.

12. Лыгденов, Б.Д. Термоциклирование. Структура и свойства / Б.Д. Лыгденов, Ю.П. Хараев, А.Д. Грешилов и др. - Барнаул, 2014. - С.252.

13. Лыгденов, Б.Д. Исследование фазового состава и дефектного состояния градиентных структур борированных сталей 20Л, 45, 55 и 5ХНВ / Б.Д. Лыгденов, И.А. Гармаева, Н.А. Попова и др. // Фундаментальные проблемы современного материаловедения, т. 9. - 2012. - №4-2. - С. 681-689.

14. Лыгденов, Б.Д. Фазовые превращения в сталях с градиентными структурами, полученными химико-термической и химико-термоциклической обработкой: дисс. ... канд. техн. наук / Б.Д. Лыгденов. - Новокузнецк, 2004.- 234 с.

15. Лякишев, Н.П. Боросодержащие стали и сплавы / Н.П. Лякишев, Ю.Л. Плинер, С.И. Лаппо. -М.: Металлургия, 1986. - 106 с.

16. Семенов, А.П. Методы и средства упрочнения поверхностей деталей машин концентрированными потоками энергий / А. П. Семенов, И.Б. Ковш, И.М. Петрова и др. - М.: Наука, - 1992.- 404 с.

17. Сизов, И.Г. Особенности электронно -лучевого борирования сталей / И.Г. Сизов, Н.Н. Смирнягина, А.П. Семенов. // Металловедение и термическая обработка металлов. - 1999.-№12. - С. 11.

18. Таран, Ю.Н. Структура эвтектических сплавов / Ю.Н. Таран, В.И. Мазур. - М.: Металлургия, 1978. - 312 с.

Рукопись поступила в редакцию 21.10.2015.

INFLUENCE OF ELECTRON BEAM PROCESSING ON FORMATION OF PHASE STRUCTURE OF DIFFUSION COATING DURING THE BORIDING

B. Lygdenov, V. Butukhanov, Jia Yin

The paper presents the results of investigations of phase composition of the diffusion layer, obtained using electron-beam processing. Described in detail the mechanism of formation of the diffusion layer under high temperature gradient during heating and cooling.

Keywords : chemical-thermal treatment, electron beam treatment, the phase composition of the diffusion layer, steel, x-ray spectral analysis.