Исследование особенностей формирования боридных покрытий на карбонитрированной малоуглеродистой стали

УДК 621.785.5

ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ ФОРМИРОВАНИЯ БОРИДНЫХ ПОКРЫТИЙ НА КАРБОНИТРИРОВАННОЙ МАЛОУГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ

Канд. техн. наук, доц. ПРОТАСЕВИЧВ. Ф., инж. СТАСЕВИЧГ. В.

Белорусский национальный технический институт

Одним из эффективных способов поверхностного упрочнения сталей является бориро-вание. Усилия многих отечественных и зарубежных ученых направлены на совершенствование этого процесса, о чем свидетельствуют сотни публикаций, обобщенных в монографии [1]. Повышенный интерес к процессу бориро-вания обусловлен возможностью получения в поверхностной зоне обрабатываемых изделий моно- или многофазных боридных слоев, характеризующихся уникальным комплексом физико-химических свойств и его приемлемостью для обработки широкой гаммы конструкционных

и инструментальных сталей и сплавов. Прежде всего это высокая твердость боридных покрытий, которая в 1,5-2,0 раза превосходит твердость стали после термообработки, что обусловливает высокую износостойкость бориро-ванных слоев в различных условиях трения и износа. Поэтому борирование значительно повышает износостойкость инструмента для холодной деформации металлов, а также пар трения, работающих без смазки или с ограниченной ее подачей.

Однако у боридных слоев есть существенный недостаток - повышенная хрупкость. Малоуглеродистые сплавы железа, упрочненные борированием, могут применяться лишь тогда, когда в процессе эксплуатации не испытывают больших удельных давлений. В противном случае происходит продавливание боридного слоя и его выкрашивание. В связи с этим возникает задача создать под боридным слоем подложку, обладающую достаточной твердостью и прочностью для предотвращения про-давливания боридного слоя и создания возможности его применения в условиях высоких контактных нагрузок. Для решения этой задачи

Наука и эхника, № 3, 2012

используют комплексное насыщение бором совместно с другими элементами, из которых особый интерес представляют азот и углерод [2-5].

В ряде работ уменьшения хрупкости борид-ных покрытий добивались комплексным насыщением сплавов бором и азотом. В [4, 5] изучали процесс последовательного и одновременного бороазотирования железа и сталей (2Х9В6, 4Х3ВМФ) в псевдоожиженном слое. Бороазо-тированные диффузионные слои состояли из светлой боридной зоны, имеющей фазовый состав БеБ и Бе2Б с микротвердостью 16000 и 14000 МПа соответственно. Бороазотирование привело к снижению микрохрупкости боридов БеБ и Бе2Б.

Цель исследований авторов статьи - получение и анализ фазового состава, строения и свойств боридных покрытий на предварительно карбонитрированной стали 20.

Для достижения поставленной цели предварительно карбонитрированные образцы из стали 20 подвергали борированию при температурах насыщения: 800, 850, 900 и 950 °С. Карбо-нитрацию осуществляли в шахтной печи при температуре 800 °С в течение четырех часов в порошковой среде следующего состава (% по массе):

720^03 + 18АЬ0 3 + 30 + + 5^е(С^)б + 2№НС03.

Для двухфазного борирования использовали насыщающую среду, полученную в процессе внепечной алюмотермии из порошковой смеси (% по массе):

25В20 3 + 24АЬ0 3 + 27А1 + 15СГ2О 3 + 5№0 + + 32Г02 + + 0,5KBF4.

В ходе металлографических и дюрометри-

ческих исследований были определены микротвердость и микрохрупкость диффузионных боридных слоев.

Дюрометрический анализ проводили на приборе ПМТ-3 по ГОСТ 9650-76 при нагрузке 0,980 Н. Замеры микротвердости боридов осуществляли на поперечных шлифах от поверхности вглубь вдоль оси боридных игл. Первый замер делали у поверхности в фазе FeB, далее вдоль иглы, затем замеры проводили по фазе Бе2В от основания иглы на границе двух фаз и до вершины иглы на границе с основой.

Исследование микрохрупкости осуществляли по методике, описанной в [6]. Суммарный балл хрупкости оценивали в зависимости от числа отпечатков с дефектами и характера дефектов вокруг отпечатка.

В результате борирования стали 20 с предварительной карбонитрацией и без нее были получены двухфазные боридные слои. В табл. 1 указаны фазовый состав и толщина борирован-ного слоя в зависимости от температуры бори-рования и вида обработки. Борированный слой состоит из боридов БеБ, Бе2Б и переходной зоны. Толщина переходной зоны (зона с повышенным содержанием бора, углерода и азота) для карбонитрированных образцов растет от 70 до 1700 мкм в зависимости от температуры бо-рирования. При последующей термической обработке переходная зона должна служить твердой и прочной подложкой для боридного слоя. После предварительной карбонитрации толщина сформированного боридного слоя при всех режимах борирования ниже, чем у стали без предварительной обработки, что соответствует закономерностям формирования боридных покрытий на низко- и высокоуглеродистых сталях [1]. Максимальная толщина боридного слоя с предварительной карбонитрацией (190 мкм) получена при температуре борирования 900 °С.

Таблица 1

Толщина борированного слоя в зависимости от вида обработки и температуры борирования

Вид обработки Температура борирования, °С Толщина слоя, мкм

FeB Fe2B Борид-ная зона Переходная зона

Борирование 800 60 50 110 -

850 80 80 160 100

900 140 90 230 1300

950 70 140 210 1500

Карбонитра- 800 30 40 70 70

8

ция + борирование 850 30 90 120 600

900 100 90 190 1700

950 50 130 180 700

Микроструктуры боридных слоев, полученных на стали 20, представлены на рис. 1. Предварительная карбонитрация изменяет строение борированного слоя. С ростом температуры бо-рирования зона Бе2Б становится менее плотной, иглы борида более разрозненными. Чем выше температура борирования, тем грубее структура подборидной зоны. Укрупнение подборидной зоны для карбонитрированной стали начинается с 900 °С, до этой температуры переходная зона сохраняет мелкозернистую структуру. Для образцов без предварительной обработки укрупнение переходной зоны начинается с более низкой температуры борирования (850 °С).

а б

итехника, № 3, 2012

Рис. 1. Микроструктуры боридных слоев на стали 20: а - без предварительной обработки; б - предварительная карбонитрация Повышение температуры борирования приводит к формированию в подборидной зоне крупных зерен перлита с ферритом по границам. Толщина перлито-ферритной зоны составляет 200 мкм при 900 °С и 450 мкм при 950 °С. Микротвердость феррита - 1400 МПа, перлита - 2000-2300 МПа.

Результаты исследования микротвердости боридного слоя представлены в табл. 2 и на рис. 2. Как видно из приведенных данных, в зависимости от температуры борирования наблюдаются две закономерности изменения величины микротвердости по толщине боридного слоя. При 950 °С на границе фаз FeB, Fe2 B происходит скачкообразное изменение значений микротвердости до 3000 МПа.

Таблица 2

Изменение микротвердости по толщине боридного слоя в зависимости от вида обработки при температуре борирования 800 °С

В то же время при температурах борирования 850 и 900 °С имеет место плавное изменение микротвердости по толщине боридного слоя от поверхности к основе, отсутствует резкое различие на границе фаз между значениями микротвердости боридов БеБ и Бе2 Б, как при 950 °С.

Микротвердость БеБ на карбонитрирован-ных образцах выше микротвердости борида БеБ, полученного без предварительной обработки для всех температур борирования, кроме 850 °С. С понижением температуры обработки микротвердость БеБ уменьшается.

Значения микротвердости борида Бе2 Б снижаются по толщине слоя до 12000 МПа на границе с основой при температуре борирования 900 °С (рис. 2б) для карбонитрированной стали и стали без предварительной обработки. При 950 °С снижение микротвердости до 11000 МПа (рис. 2в) происходит для борированной

стали без предварительной обработки. Для предварительно карбонитрированных образцов после борирования при 800; 850 и 950 °С микротвердость Бе2Б сохраняется постоянной до основы и достигает 13700 МПа (800 °С); 14200 МПа (850 °С) и 13600 МПа (950 °С). Таким образом, предварительная карбонитрация способствует стабилизации значений микротвердости Бе2 Б на всем протяжении слоя и ее значения выше на 2000-3000 МПа по сравнению с образцами без предварительной обработки.

7 1900 2 1800

1700

Ч 1600

§ 1500 | 1400

1 1300 | 1200 Л 1100

^ 0 50 100 150 200 250 Толщина слоя, мкм

б

7 1900

2 1800 й 1700 ^ 1600 £ 1500 | 1400

^ 0 50 100 150 200 250 Толщина слоя, мкм

в

7 1900  1800 С 1700

Ч 1600

ё 1500 I 1400 « 1300 £ 1200 I 1100

0 50 100 150 200 250 Толщина слоя, мкм

Рис. 2. Изменение микротвердости по толщине слоя в зависимости от вида обработки и температуры борирования: а - 850 °С; б - 900 °С; в - 950 °С; 1 - без предварительной обработки; 2 - предварительная карбонитрация

В табл. 3 представлены данные по хрупкости боридов БеБ и Бе2Б для всех температур борирования. Из двух боридов борид БеБ имеет наибольшую хрупкость. Максимальные значения суммарного балла хрупкости БеБ от 18 до 34 зафиксированы в поверхностной зоне бо-

Микротвердость, Микротвердость

Вид обработки МПа • 10 под слоем,

FeB Fe 2 B МПа • 101

Борирование 1260 780 150

Карбонитрация + борирование 1350 1370 200

2

Н Наука

иТ эхника, № 3, 2012

ридного слоя как для предварительно карбо-нитрированных образцов, так и борированных без предварительной обработки. Исключением является температура борирования 950 °С, где Z варьируется в пределах от 7 до 13.

Таблица 3

Изменение суммарного балла хрупкости в зависимости от температуры борирования и вида обработки

В борированном слое на границе двух боридов также зафиксированы высокие значения суммарного балла хрупкости для образцов без предварительной обработки: 29-30 - для FeB; 16-17 - для Fe2B. Предварительная карбо-нитрация уменьшает хрупкость на границе боридов и значения Z снижаются до 13 баллов для FeB и 4 баллов для Fe2B.

Карбонитрация также значительно снижает хрупкость боридного слоя на границе с основой. Так, суммарный балл хрупкости боридного слоя, полученного без предварительной обработки, на границе с основой изменяется в интервале от 32 до 12 баллов в зависимости от температуры борирования. В то же время для предварительно карбонитрированного слоя суммарный балл хрупкости в этой зоне находится в пределах 0-10.

В Ы В О Д Ы

1. Установлена возможность формирования двухфазных боридных слоев на предварительно карбонитрированной стали 20 толщиной от 70 до 190 мкм в зависимости от температуры борирования. Определено влияние карбонитра-ции на фазовый состав, строение и структуру борированного слоя на малоуглеродистой стали.

2. Установлены два типа закономерностей изменения микротвердости боридов БеБ и Бе2Б по толщине боридного слоя в зависимости от температуры борирования стали 20. Предварительная карбонитрация повышает микротвердость боридов БеБ и Бе2Б, изменяет характер распределения микротвердости борида Бе2Б по слою, сохраняя ее значения вдоль слоя на одном уровне. Микротвердость борида Бе2Б предварительно карбонитрированной стали на 2000-3000 МПа выше по сравнению с образцами без предварительной обработки.

3. Установлено, что предварительная карбо-нитрация уменьшает хрупкость боридов БеБ и Бе2Б в середине слоя и приводит к значительному снижению хрупкости борида Бе2Б на границе с основой.

Л И Т Е Р А Т У Р А

1. Ворошнин, Л. Г. Борирование стали / Л. Г. Ворош-нин, Л. С. Ляхович. - М.: Металлургия, 1978. - 239 с.

2. Лыгденов, Б. Д. Повышение износостойкости углеродистой феррито-перлитной стали / Б. Д. Лыгденов, И. Б. Обунеев, А. М. Гурьев // Ползуновский альманах. -2003. - № 3-4. - С. 105-107.

3. Иванов, А. С. Исследование двухслойных боридо-цементованных покрытий на низкоуглеродистых мартен-ситных сталях / А. С. Иванов, А. П. Быкова // Физика металлов и металловедение. - 2005. - Т. 100, № 1. - С. 57-64.

4. Баландин, Ю. А. Бороазотирование штамповых сталей / Ю. А. Баландин // МиТОМ. - 2004. - № 9. -С. 25-27.

5. Баландин, Ю. А. Комплексное насыщение стальных поверхностей бором, азотом и медью / Ю. А. Баландин // Известия вузов. Машиностроение. - 2004. - № 9. -С. 39-42.

6. Глазов, В. М. Микротвердость металлов / В. М. Глазов, В. Н. Вигдорович. - М.: Металлургия, 1969. - 247 с.

Поступила 26.06.2011

Температура борирования, °С Вид обработки Суммарный балл хрупкости Z

FeB Fe2B

У поверхности На границе боридов На границе боридов На границе с основой

800 Б 33 - - 32

К + Б 34 - - 0

850 Б 18 - - 23

К + Б 25 - - 2

900 Б 25 30 16 12

К + Б 22 13 4 8

950 Б 7 29 17 20

К + Б 13 13 16 10

Примечание. Б - борирование; К + Б - карбонитрация + борирование.

Наука ит эхника, № 3, 2012