Влияние хрома и карбида бора на состав и структуру легированных поверхностей отливок из низкоуглеродистых сталей при литье по газифицируемым моделям

УДК 621.9.048.4

ВЛИЯНИЕ ХРОМА И КАРБИДА БОРА НА СОСТАВ И СТРУКТУРУ ЛЕГИРОВАННЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ОТЛИВОК ИЗ НИЗКОУГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ ПРИ ЛИТЬЕ ПО ГАЗИФИЦИРУЕМЫМ МОДЕЛЯМ

ОВЧАРЕНКО П.Г., ДЕМЕНТЬЕВ В.Б., ЛЕЩЕВ А.Ю.

Институт прикладной механики УрО РАН, 426067, г. Ижевск, ул. Т. Барамзиной, 34

АННОТАЦИЯ. В работе исследовалось влияние хрома и карбида бора на состав и структуру легированных поверхностей отливок из стали 10 при литье по газифицируемым моделям.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: легирование, хром, карбид бора, литье по газифицируемым моделям.

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время одним из главных способов улучшения качества сплавов, придания им специальных свойств является метод введения легирующих добавок при выплавке сталей. Однако применение объемного легирования не всегда оправдано, поскольку приводит к значительному расходу дорогостоящих легирующих элементов и их соединений, а также к легированию всего объема металла, в то время, когда существует определенная номенклатура литых деталей, где специальными свойствами должны обладать только требуемые участки поверхности.

На сегодняшний день существует ряд способов по приданию поверхности стальным изделиям требуемых специальных свойств. Одним из них является химико-термическая обработка - насыщение поверхности легирующими элементами за счет диффузионных процессов. Основными недостатками данного способа являются длительное время процесса, высокая температура на протяжении всего процесса, небольшая глубина легированного слоя. Например, при борировании стальных деталей в порошках за время выдержки 6 ч в печи с температурой (950-1000) °С глубина боридного слоя составляет (0,1-0,15) мм [1], а при химико-термическом хромировании низкоуглеродистых сталей в порошках за время (6-12) ч при температуре (1000-1100) °С образуется диффузионный слой, глубиной (0,08-0,15) мм [2].

Целью настоящей работы является исследование влияния легирующих элементов -карбида бора и хрома на структуру, фазовый и химический состав легированных поверхностей отливок из низкоуглеродистых сталей при литье по газифицируемым моделям.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

В эксперименте использовались образцы длиной 30 мм, шириной 15 мм и толщиной 15 мм. С двух противоположных сторон по всей ширине на образцы из пенополистирола был нанесен слой легирующих покрытий на основе карбида бора и хрома с добавками клеящих веществ. После высушивания слоя к образцам из пенополистирола приклеивались элементы литниковой системы. Далее производилось окрашивание газопроницаемым антипригарным покрытием с последующей сушкой. Затем окрашенные образцы с литниковой системой помещали в опоку, засыпали несвязанным формовочным материалом (песком), герметизировали, вакуумировали и заливали расплавом стали 10.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Рентгеноструктурный анализ полученных образцов показал наличие новых фаз в легированных поверхностях. Съемка проводилась на дифрактометре ДРОН-6 в излучении Со-Ка при и = 35 кУ, I = 20 тА. Интервал съемки углов 29 составлял (30-90)°, шаг Д29 = 0,02°, время съемки в каждой точке 5 с.

Фазовый состав поверхности стали 10 легированной хромом представлен фазами: а-Ре и карбидами хрома (наиболее явно Сг23С6) - рис. 1. Фаза а-Ре представляет собой твердый раствор а-Ре и Сг. Также было проведено прецизионное определение параметра решетки методом съемки с эталоном. В качестве эталона был выбран порошок вольфрама с известным параметром решетки (а = 3,1655 А). Полученный параметр решетки а-Ре составил, а = 2,8671 А, что в соответствии с законом Вегарда дает основание заключить, что в твердом растворе а-Ре присутствует около 10 % хрома.

2ТЬе1а

Рис. 1. Дифрактограмма литого образца стали 10 с поверхностным легированием хромом

Фазовый состав поверхности стали 10 легированной карбидом бора представлен следующими фазами: а-Ре, В4С, Ре3С и РеВ (рис. 2). Следует отметить, что В4С присутствует в значительном количестве, а Ре3С и РеВ в небольшом.

2ТЬе1а

Рис. 2. Дифрактограмма литого образца стали 10 с поверхностным легированием карбидом бора

Данные металлографического исследования отлитых образцов представлены в табл. 1. Распределение диффузионных легированных зон отлитых образцов показано на рис. 3. Химический анализ отлитых образцов представлен в табл. 2.

Таблица 1

Результаты металлографического исследования литых образцов из стали10

Состав легирующего покрытия Место исследования Т вердость, HV (ЖС) Микроструктура

Хром поверхностный слой 313-280 (34-29) Диффузионный хромированный слой глубиной (0,15-0,5) мм

основа 209-192 (—18) Перлит, феррит видманштеттового строения по границам зерна №1 ГОСТ 5639-82

Карбид бора поверхностный слой 412-423 (42-43) Дендритная двухфазная с ориентацией на сетку: светлотравящаяся фаза с микротвердостью Н50 483-424 (48-43) HRC, темнотравящаяся фаза-Н50 271-199 (26-<20); толщина зоны (1,0-2,0) мм

сердцевина образца 313 (34) Двухфазная дендритная с ориентацией на сетку, толщина зоны (4,0-4,5) мм

промежуточная зона 8 Г- т 5 г- Микроструктура неоднородная: скопление феррита видманштеттового строения, перлит и феррит по границам зерна №3 - <1; толщина зоны (5-7) мм

а) - образец легированный хромом; б) - образец легированный карбидом бора Рис. 3. Расположение зон в отлитых образцах

Т аблица 2

Химический состав отлитых образцов

Состав легирующего покрытия Место исследования Химический состав, %

С Si Мп Сг А1 В

Хром легированная поверхность 0,36 0,12 0,46 11,14 0,14 -

основа 0,25 0,10 0,42 0,34 0,04 -

Карбид бора легированная поверхность 1,10 0,15 0,44 0,22 - ~3*

сердцевина образца 0,75 0,11 0,45 0,27 - ~2*

промежуточная зона 0,24 0,05 0,46 0,21 - 0,051

*- содержание бора рассчитано теоретически, опираясь на содержание углерода в легированных поверхностях при учете, что весь бор связан в соединении В4С.

Из полученных данных видно, что при заливке расплавом образцов и при кристаллизации отливок происходит взаимодействие стали с легирующими покрытиями, которое приводит к изменению фазового и химического состава легированных поверхностей. Данное взаимодействие проявляется в первую очередь в частичном растворении легирующего покрытия в поверхностном слое расплава, при этом могут протекать реакции между легирующими покрытиями и жидким расплавом. Однако скорость кристаллизации поверхностных слоев при литье по газифицируемым моделям достаточно высока и это дает основание заключить, что дальнейшее насыщение легирующими элементами происходит за счет диффузионных процессов. Изменение фазового и химического состава легированных поверхностей можно объяснить, сопоставив полученные результаты с данными процесса химико-термической обработкой.

При химико-термическом хромировании в зависимости от содержания углерода в стали возможно образование различных фаз. Если в стали содержится до 0,15 % углерода, то хромированный слой будет иметь структуру хромистого феррита, обладать высокой устойчивостью против окисления, незначительной твердостью и большой пластичностью. В сталях, содержащих более 0,2 % углерода, насыщение хромом сопровождается образованием на поверхности тонкого карбидного слоя, который в основном состоит из карбидов типа Сг23С6, ниже которого располагается зона хромистого феррита. При содержании в стали более 1 % углерода преимущественно образуются карбиды Сг23С6 и Сг7С3, которые обуславливают высокую твердость хромированного слоя [2].

Структура литых образцов, поверхность которых легирована хромом, имеет две четкие зоны, различающиеся по структуре и составу (рис. 3, а). На поверхности образца присутствует диффузионный хромированный слой глубиной (0,15-0,5) мм, состоящий из раствора Сг в а-Ре и карбидов типа Сг23С6, а содержание хрома в основном металле составляет 0,34 %. Образование карбида хрома происходит, вероятнее всего, при взаимодействии с углеродом, содержащемся в расплаве и продуктами термодеструкции модели из пенополистирола. В целом, по результатам химического и фазового анализа можно сказать, что поверхностное легирование хромом при литье по газифицируемым моделям является аналогом химико-термического хромирования в порошках, и фазовый состав легированных поверхностей будет зависеть, в первую очередь, от содержания углерода в расплаве.

Несколько другие закономерности наблюдаются при легировании стали карбидом бора. Так, при борировании в порошках на поверхности стальных деталей образуются два типа боридов - Ре2В и РеВ. От поверхности вглубь металла сначала прорастают отдельные иглообразные кристаллы борида Ре2В, а по мере дальнейшего насыщения бором на поверхности образуется еще один из боридов - РеВ [3]. В отлитых образцах карбид бора присутствует в значительном количестве, а борид железа РеВ и карбид железа Ре3С в небольшом. Это можно объяснить тем, что при химико-термическом борировании в порошках в качестве активатора процесса и переносчика атомов бора используют галогенсодержащие соединения - МН4С1, КВР4 и т.п. По-видимому, карбид бора при контакте с жидким металлическим расплавом диссоциирует на компоненты - бор и углерод, которые в свою очередь и диффундируют в поверхность расплава. При этом могут протекать реакции взаимодействия между бором, углеродом и железом (как основным компонентом расплава), что и приводит к образованию борида и карбида железа, а при понижении температуры отливки происходит процесс взаимодействия бора и углерода с образованием карбида бора. Предположение о диссоциации карбида бора способно объяснить значительную глубину образовавшихся легированных слоев, обогащенных как бором, так и углеродом.

Известен также метод борирования пастами с применением нагрева токами высокой частоты, однако благодаря высокой температуре (1100-1200) °С, малому радиусу атома бора и большой скорости диффузии бор уходит вглубь металла, и поэтому концентрация его у поверхности снижается.

ВЛИЯНИЕ ХРОМА И КАРБИДА БОРА НА СОСТАВ И СТРУКТУРУ ЛЕГИРОВАННЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ОТЛИВОК ИЗ НИЗКОУГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ ПРИ ЛИТЬЕ ПО ГАЗИФИЦИРУЕМЫМ МОДЕЛЯМ

В отлитых образцах с нанесенным слоем легирующего покрытия из карбида бора на противоположные плоскости микроструктура состоит из чередующихся участков, отличающихся различным содержанием бора и углерода: в поверхностных зонах В ~3 %, С 1,1 %, в сердцевине В ~2 %, С 0,75 %, в промежуточной зоне В 0,051 %, С 0,24 % (рис. 3, б). Необходимо отметить, что содержание бора в поверхностных зонах и сердцевине отлитых образцов рассчитывалось теоретически, потому как определить действительное содержание бора существующими способами крайне затруднительно. В связи с этим существует вероятность отклонения теоретически рассчитанных данных от действительного содержания бора в образцах.

Образование в отлитых образцах легированных карбидом бора средней зоны, обогащенной бором и углеродом можно объяснить тем, что по мере кристаллизации и охлаждения слитка наиболее высокая температура сохраняется в центре отливки (по сравнению с поверхностью). Это и приводит к тому, что бор и углерод из объема отливки концентрируются в центральной зоне (рис. 3, б).

Из полученных данных можно сделать предположение о том, что при заливке моделей металлическим расплавом карбид бора диссоциирует на компоненты (бор и углерод), которые в свою очередь диффундируют в поверхность отливки и взаимодействуют с железом с образованием карбида и борида железа. Далее, при понижении температуры отливки происходит обратный процесс - образование карбида бора при взаимодействии бора и углерода.

По характеру распределения легирующих элементов в отлитых образцах, по структуре, химическому и фазовому составу можно сделать заключение о том, что данный процесс является аналогом химико-термической обработки, с той лишь разницей, что диффузионное насыщение поверхности происходит при контакте расплава с легирующим покрытием за счет термической энергии расплава и теплотой последующей кристаллизации отливки. Но наряду с этим, поверхностное легирование в процессе литья стали по газифицируемым моделям позволяет получить заданные специальные свойства только требуемым участкам поверхности отливки, и в отличие от химико-термической обработки обеспечивает более значительную глубину проникновения легирующих элементов.

Далее, отлитые образцы были подвергнуты дополнительной термообработке, с целью установить изменится ли фазовый состав и твердость легированных поверхностей. Полученные результаты представлены в табл. 3.

Таблица 3

Результаты металлографического исследования литых образцов из стали10 после термообработки*

Состав легирующего покрытия Место исследования Твердость, HV (ЖС) Микроструктура

Хром поверхностный слой 487-423 (48-43) диффузионный хромированный слой глубиной (0,15-0,5) мм

основа 209-192 (—18) троостит

Карбид бора поверхностный слой 739-713 (62-61) светлотравящийся мартенсит с микротвердостью Н50 642 (57 ИЯС) и ориентированная на сетку (состоящая из 2-х фаз) структурная составляющая с микротвердостью Н50 845-797 (66-64 ЖС);

сердцевина образца 665 (58,5) двухфазная с ориентацией на сетку, толщина зоны (4,0-4,5) мм

промежуточная зона 190-201 (<20) троостит и светлотравящаяся фаза в виде мелких зерен

*Режим термообработки образцов:

- закалка (нагрев в свинцовой ванне), Т = 840 ° С, охлаждение - масло;

- отпуск, Т = 160 °С, время - 1 ч

Как видно из данных табл. 3 твердость легированных поверхностей отливок значительно изменилась после термообработки, а твердость основного металла осталось прежней. Это свидетельствует о том, что легирующие элементы оказывают существенное влияние как на состав и структуру легированных поверхностей, так и на их свойства. Фазовый состав поверхностей отливок после термообработки не изменился.

Также в отливках наблюдалось увеличение концентрации углерода в основном металле по сравнению с исходной сталью, от (0,11-0,12) % до (0,24-0,26) % С. Объясняется это взаимодействием расплава с продуктами термодеструкции моделей из пенополистирола при заливке [4].

ВЫВОДЫ

Данные рентгеноструктурного, металлографического и химического анализа отлитых образцов из стали 10 при литье по газифицируемым моделям свидетельствуют об изменении фазового и химического состава легированных хромом и карбидом бора поверхностей. Механизм легирования определяется в начальный момент частичным растворением легирующих покрытий в расплаве и их взаимодействием с жидким расплавом, а теплота дальнейшей кристаллизации отливок приводит к диффузионному насыщению поверхности легирующими элементами.

Хром в качестве легирующего покрытия образует на поверхности отливки диффузионный слой, глубиной (0,15-0,5) мм, состоящий из раствора хрома в a-Fe и карбидов типа Cr23C6. Карбид бора как легирующее соединение при контакте с жидким расплавом при высоких температурах, вероятнее всего, диссоциирует на компоненты (бор и углерод), которые в свою очередь диффундируют в поверхность отливки и взаимодействуют с железом с образованием карбида и борида железа. Далее, при понижении температуры отливки происходит обратный процесс - образование карбида бора в легированных поверхностях отливки.

Легирующие элементы хром и карбид бора оказывают существенное влияние на состав, структуру и свойства легированных поверхностей отливок и практически не влияют на их изменения у основного металла.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ляхович Л.С., Ворошин Л.Г. Борирование стали. М. : Металлургия, 1967. 119 с.

2. Райцес В.Б., Литвин В.М. Химико-термическая обработка деталей. Киев : Техника, 1980. 152 с.

3. Гуревич Б.Г., Говязина Е.А. Электролизное борирование стальных деталей. М. : Машиностроение, 1976. 70 с.

4. Строительное, дорожное и коммунальное машиностроение. Обзорная информация. М. : ЦНИИТЭстроймаш, 1984. Вып. 1. 63 с.

INFLUENCE ON COMPOSITION AND SURFACE STRUCTURE OF CASTINGS FROM CARBON STEEL, CHROMIUM AND BORON CARBIDE, IN THE CASTING PROCESS FOR CONSUMABLE PATTERNS

Ovcharenko P.G., Dementiev V.B., Leshchev A.Y.

Institute of Applied Mechanics, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, Izhevsk, Russia

SUMMARY. We have studied the composition and structure of the surface of steel casting 10, doped with chromium and boron carbide, obtained by casting consumable patterns.

KEYWORDS: alloying, chromium, boron carbide, cast in a model of expanded polystyrene.

Овчаренко Павел Георгиевич, инженер ИПМ УрО РАН

Дементьев Вячеслав Борисович, доктор технических наук, заместитель директора, заведующий отделом ИПМ УрО РАН, тел. (3412) 20-29-25, e-mail: ipm@udman.ru

Лещев Андрей Юрьевич, научный сотрудник ИПМ УрО РАН