Развитие новых представлений о формировании структуры боридных слоев на сталях

УДК 621.793.6.004.12

РАЗВИТИЕ НОВЫХ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ О ФОРМИРОВАНИИ СТРУКТУРЫ БОРИДНЫХ СЛОЕВ

НА СТАЛЯХ

А.А. Афанасьев, профессор, д.т.н., А.А. Стативко, к.т.н., БГТУ им. В.Г. Шухова

Аннотация. Представлены результаты исследований структуры высокотвердых диффузионных боридных слоев, образующихся с участием бора совместно с легирующими элементами - хромом, цирконием, танталом. Формирование структуры неразрывно связано с свойствами поверхностных слоев и, в частности, определяет распределение микротвердости по толщине диффузионного слоя.

Ключевые слова: структура, диффузионный слой, боридный слой.

Введение

Результаты, приведенные в предлагаемой статье, являются продолжением исследований свойств диффузионных боридных слоев, рассматриваемых в предыдущей публикации настоящего сборника. В представленной статье даны обобщенные результаты формирования структуры боридных слоев, сформированных при комплексном насыщении поверхностных слоев стальных деталей бором и одним из трех легирующих элементов -хромом, цирконием и танталом.

Анализ публикаций

Известно [1], что боридные слои в настоящее время, как правило, рассматриваются состоящими из расположенных друг за другом зон двух боридов: БеБ и Бе2Б. Кроме того, в разных источниках сообщается о возможном легировании этих боридов при комплексном насыщении поверхностных слоев детали бором совместно с другими элементами. Вместе с тем, публикаций о металлографическом выявлении химической неоднородности фазы в боридных слоях пока не встречалось. Микрорентгеновские исследования состава фаз подтверждают достоверность легирования борида и диборида железа легирующими элементами. Однако микрорентгеновские исследования дают больше информации о химическом составе, чем о структуре. В свя-

зи с этим представляло интерес проведение металлографических исследований боридных слоев.

Цель и постановка задачи

В настоящей работе была поставлена цель -исследование условий изменения структуры диффузионных боридных слоев на поверхности упрочненной стальной детали. Боридные слои, подвергаемые исследованию, были получены в режиме классического электролизного борирования стальной детали в расплаве, а также комплексным электролизным насыщением поверхностных слоев бором совместно с одним из трех легирующих элементов - хромом, цирконием и танталом.

Структура диффузионных боридных слоев на стальных деталях

При снятии поляризационных кривых электродных процессов в расплавах буры с добавлением двуокиси циркония, окиси хрома, окиси тантала было показано, что разряд ионов бора и других элементов на катоде происходит одновременно при достижении потенциала разложения соответствующего окисла: ZrO2, Сг203 и Та205. Химический анализ диффузионного бороцирконирован-ного слоя позволил установить содержание циркония в верхней зоне диффузионного слоя в пределах от 0,5 до 5%.

Металлографическим анализом было установлено, что в результате совместного насыщения стальной поверхности бором и цирконием образуются слои, сходные по форме с борированными. Однако цветное травление слоя выявляло более сложную структуру бороцирконированного слоя по сравнению с борированным (рис. 1). На фоне верхней темной зоны образца железа проявляются еще более темные иглы соединения на основе железа, борида и циркония. Интенсивность окраски слоя неравномерна, что свидетельствует о неоднородном химическом составе данного соединения.

а б

Рис. 1. Микроструктуры борированных слоев на сталях: а - сталь 10; б - сталь 45; Т = 1173 К

Соотношение площадей двух довольно четко различающихся зон зависит от плотности тока. На рис. 2 показано влияние плотности тока на фазовый состав бороцирконирован-ного слоя, полученного при температуре 1173 К в расплаве буры с 5% по массе двуокиси циркония. С увеличением плотности тока верхняя зона борида БеВ с растворенным в нем цирконием по отношению ко всей толщине диффузионного слоя увеличивается.

С увеличением плотности тока доля циркония, выделяющегося на катоде при электролизном насыщении стали бором и цирконием, увеличивается, что приводит к увеличению доли борида БеВ, легированного цирконием. По мере совместной диффузии бора и циркония вглубь стали в слое образуется бо-рид циркония 2гБ2 и интерметаллическое соединение 2гБе2. Этот результат согласуется с диаграммами состояния В-2г и Бе-2г.

Толщина диффузионного слоя при борохро-мировании получается при одинаковых ус-

ловиях меньшей по сравнению с борирован-ным. Например, если при борировании в течение 3 часов при 1173 К толщина слоя составляет 140 мкм, то при борохромировании в расплаве буры с 10% Сг203 - 70 мкм.

Установлено, что с повышением содержания в расплаве буры окиси хрома толщина слоя уменьшается, а содержание хрома в слое увеличивается. В поверхностном слое содержание хрома колеблется от 5 до 20% и зависит от соотношения бора и хрома в электролите. Это соотношение условно выражается как В203/Сг203. Рентгеноструктурный фазовый анализ с плоского шлифа на установке УРС-70 показал наличие в диффузионном борохромированном слое боридов железа БеВ, Бе2Б, борида хрома Сг5В3.

По мере удаления от поверхности образца в диффузионном слое идет образование бори-дов хрома с пониженным его содержанием. Под диффузионным слоем обнаруживается сорбитизованная зона, обогащенная углеродом. Образование боридов хрома в диффузионном слое повышает его пластичность и снижает хрупкость.

Танталоборирование велось из расплава буры с (3 - 5)% Та205. Температура устанавливалась равной 1173 К, плотность тока на катоде составляла 1000-2000 А/м2 в продолжении 2 часов. Концентрация тантала в диффузионном слое увеличивается по мере повышения плотности тока на катоде. По форме танталообразованные слои практически не отличаются от борированных и борохромированных. В слое наряду с боридами железа, легированными танталом, формируется ин-терметаллид - Бе2Та.

При всех видах диффузионного насыщения под диффузионным слоем образуется переходная зона с крупнозернистой структурой, физико-механические свойства которой зависят от природы легирующего элемента. Если в паре с бором диффундирует в сталь карбидообразующий элемент, под слоем бо-ридов непосредственно образуется зона, обогащенная углеродом. При этом концентрация углерода плавно снижается в направлении диффузии бора.

Если же с бором диффундирует некарбидообразующий элемент, то под слоем образуется а-фаза с пониженным содержанием угле-

рода, а за ней - зона, обогащенная углеродом.

Карбидообразующие элементы - цирконий, хром, тантал, как показывают исследования, способствуют формированию меньших по толщине диффузионных слоев по сравнению с некарбидообразующими элементами. Объясняется это большим сродством карбидообразующих элементов к углероду и бору, диффузия которых требует дополнительных затрат энергии на преодоление сил связи.

Бе2В БеВ

7гБе2 + 7гБ2

Применение реверсированного тока повышает однородность и сплошность диффузионных боридных слоев. Установлено, что во всех случаях наблюдается утолщение игл слоя в матрице насыщаемого металла. Повышение однородности слоя вдоль фронта диффузии и его сплошность объясняется повышением активности выделенных на катоде бора и других элементов и вследствие этого более равномерным распределением их концентрации в фазах диффузионного слоя.

Переходная зона под боридными слоями, образуемыми бором в комплексе с цирконием, хромом и танталом, составляет 4 - 6 толщин диффузионного покрытия и, таким образом, уступает данному показателю для борирова-ния. Характер структурообразования переходной зоны зависит только от участия углерода и бора, так как сопутствующие бору элементы при двухкомпонентном насыщении концентрируются в приповерхностном слое боридного покрытия. Поэтому они влияют лишь на интенсивность диффузионного потока бора через покрытие из боридов БеВ и Бе2В в переходную зону. Бор вытесняет углерод из слоя из-за своей подвижности раньше, чем элементы, сопутствующие бору (2г, Сг, Та), могли бы образовать с углеродом карбид. Влияние бора на структуру малоуглеродистых сталей (Армко-железо,

сталь 10 и 20) проявляется в некотором укрупнении ферритных зерен после насыщения при температуре 1173 - 1223 К. Это отчетливо видно на рис. 2. Данное явление объясняется свойством бора сильно замедлять образование феррита, его зародышей.

Структура переходной зоны среднеуглеродистой стали 45 (рис. 1, б) напоминает перлитную, хотя содержание углерода в ней не соответствует эвтектоидной концентрации. Это

х300 х300 х300

а б в

Рис. 2. Влияние плотности тока на фазовый состав бороцирконированного слоя на стали 10 (Т = 1173 К, т = 2 ч, расплав 95 % Ка2В407 +5% + 2г02); а - Д, = 1000 А/м2; б - Д = 2000 А/м2; в = Д = 4000 А/м2

подтверждается измерением микротвердости и послойным химическим анализом. Образование такой перлитообразной структуры с содержанием углерода 0,5 - 0,6% является также следствием свойства бора замедлять образование феррита. Концентрация бора в переходной зоне меняется от максимальной непосредственно под слоем до нуля в конце переходной зоны.

Выводы

Получены результаты исследований изменения структуры боридных слоев в зависимости от различных режимов насыщения поверхности стальных деталей, уточняющие современные представления об их формировании.

Литература

1. Ворошнин Л.Г., Ляхович Л.С. Борирова-

ние стали. - М.: Металлургия, 1978. -240 с.

2. Афанасьев А.А. Повышение качества по-

верхностей деталей машин. - Белгород, БГТУ им. В.Г. Шухова. - 2008. - 235 с.

Рецензент: И.П. Гладкий, профессор, к.т.н., ХНАДУ.

Статья поступила в редакцию 4 июля 2009 г.