Борирование углеродистых сталей методом литья по газифицируемым моделям

УДК 621. 74. 002. 6

БОРИРОВАНИЕ УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ МЕТОДОМ ЛИТЬЯ ПО ГАЗИФИЦИРУЕМЫМ МОДЕЛЯМ

ДЕМЕНТЬЕВ В.Б., ОВЧАРЕНКО П.Г., ЛЕЩЕВ А.Ю., МАХНЕВА Т.М.

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

АННОТАЦИЯ. Исследован фазовый состав, микроструктура, твердость отливок из углеродистых сталей марок 10, 45 и У8 после легирования ферробором при литье по газифицируемым моделям (ЛГМ). Показано влияние углерода на характер изменения структуры и уровень твердости. Определен фазовый состав поверхности отливок и глубина легирования. Достигнуто увеличение твердости легированной поверхности по сравнению с основным металлом сталей в 2,5 ^ 3 раза.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: поверхностное легирование, ферробор, бориды железа, микроструктура, боридная эвтектика, микротвердость, литье по газифицируемым моделям.

ВВЕДЕНИЕ

Эксплуатационные характеристики деталей машин во многом определяются технологиями их изготовления. Существует множество способов упрочнения рабочих поверхностей - электроискровое упрочнение, поверхностная закалка, химико-термическая обработка, нанесение покрытий, применение которых позволяет формировать особые свойства поверхностного слоя [1, 2]. Кроме того, создавать специальные свойства рабочих поверхностей можно в процессе формообразования, а именно при литье. Для этого разработано ряд технологий - композиционное литье, суспензионное литье, «жидкая прокатка», литье под давлением и др. [3 - 5]. Одним из эффективных способов получения отливок с заданными свойствами является также технология поверхностного легирования при литье по газифицируемым моделям, которая позволяет получать отливки высокой точности с широким спектром эксплуатационных свойств [6]. Способы поверхностного легирования при ЛГМ сводятся к нанесению легирующих элементов, соединений или их композиций на поверхность модели из пенополистирола [7, 8], при заливке которой металлическим расплавом протекают реакции физико-химического взаимодействия легирующего покрытия с расплавом, приводящие к формированию слоя, имеющего отличные от основного металла состав, структуру и свойства.

Известно, что при твердофазном борировании сталей боридный слой имеет игольчатое строение, а глубина его, в зависимости от марки стали, не превышает 0,2 мм за время выдержки 6^8 ч при температуре 950^1000 °С [9]. Целью настоящей работы является исследование влияния углерода на структуру, фазовый состав и свойства поверхности стальных отливок (глубина слоя, твердость), легированной методом литья по газифицируемым моделям ферробором.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Для заливки моделей были выбраны три марки стали с различным содержанием углерода - сталь 10, 45 и У8. В качестве легирующего соединения использовали ферробор ФБ2 состава: 11^12 % В; 7^9 % Si; 0,1^0,15 % С. Для получения легирующего состава порошок ферробора смешивали с клеевым составом, не растворяющим материал модели -пенополистирол. Полученную пасту наносили на одну из сторон модели слоем около 1 мм. После сушки данного слоя модели собирали в модельные блоки и окрашивали их антипригарным покрытием на основе оксида алюминия. Для получения отливок модельные блоки помещали в опоку, засыпали несвязанным опорным материалом, герметизировали,

вакуумировали и заливали их расплавом стали с температурой 1550-1580 °С. Образцы для фазового и металлографического анализа вырезали из отливок на эрозионном станке.

Микроструктуру оценивали в прямом металлографическом микроскопе Axiotech 100 на микрошлифах, изготовленных в плоскости, перпендикулярной к легированной поверхности, при увеличении в 100 и 500 раз.

Фазовый состав поверхности определяли качественно на рентгеновском дифрактометре D2 PHASER с геометрией Брегга-Брентано и линейным счетчиком LYNXEYE. Съёмку образца производили в медном Ка-излучении, анализ дифрактограмм - с помощью программного модуля "DIFFRAC.EVA", идентификацию фаз - с использованием базы данных PDF-2/Release 2010 RDB международного центра по дифракционным данным ICDD (The International Centre for Diffraction Data). Измерение микротвердости структурных составляющих проводили на приборе ПМТ-3 при нагрузке 50 гс, глубину легированного слоя определяли по шкале прибора.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

По результатам металлографического анализа установлено (таблица), что глубина легированного слоя образцов из полученных отливок после ЛГМ находится в пределах 1,6-3,0 мм, что на порядок превышает глубину боридного слоя при твердофазном борировании. На рис. 1 видны две зоны - легированный поверхностный слой и основной металл. Структура основного металла соответствует литому состоянию для данных марок сталей [10].

Таблица

Глубина и твердость легированного слоя

Марка стали Глубина слоя, мм Твердость, HV (HRC) легированного поверхностного слоя Твердость, HV (HRC) сердцевины

10 3,0- -2,6 HV0,05 1017

45 2,8- -2,2 HVQ,Q5 1163-1247

У8 2,2- -1,6 HVQ,Q5 1163-1247

Рис. 1. Легированный ферробором слой отливки из стали 45. х100

Основной структурной составляющей легированного слоя является боридная эвтектика (рис. 2), дисперсность которой изменяется в зависимости от марки стали. С увеличением содержания боридной эвтектики структурные элементы становятся мельче, что может быть связано с большей степенью переохлаждения расплава и возникновением большего количества зародышевых центров при кристаллизации (рис. 2, в).

а б в

Рис. 2. Боридная эвтектика в структуре легированного слоя отливок из сталей:

10 (а), 45 (б) и У8 (в). х500

Легированный слой в полученных отливках имеет и другие особенности, связанные с условиями его формирования. Так как при ЛГМ модели «удаляются» при их взаимодействии с заливаемым расплавом, обеспечивая контакт легирующего покрытия с жидким металлом, то растворение элементов легирующего покрытия происходит, как непосредственно в расплаве, так и в результате диффузионного насыщения поверхности в процессе кристаллизации отливок, что приводит к изменению её состава и структуры. Особенностью является также высокая температура процесса заливки моделей, которая ускоряет процесс насыщения поверхности отливки элементами легирующего покрытия и позволяет получать легированные бором слои значительной глубины.

Глубина легированного слоя зависит также от содержания углерода в заливаемой марке стали. Она максимальна в отливках из стали 10 (3,0 - 2,6 мм) и минимальна в отливках из стали У8 (2,2 - 1,6 мм). Из таблицы, в которой приведены результаты замера глубины слоя и микротвердость, видно, что при легировании ЛГМ твердость поверхностного слоя в стали 10 в 3 раза выше твердости сердцевины основного металла и что с ростом содержания углерода в стали (Ст45, У8) твердость повышается лишь на 2 - 3 единицы по шкале Н^С, но превышает твердость сердцевины основного металла почти в 2,5 раза.

Приведенные на рис. 3 результаты рентгеновской дифракции с поверхности отливки из стали У8 после ЛГМ показали, что легированный слой всех трех отливок состоит из FeB, FeзB, Fe2B. При этом интенсивность пика фазы FeB самая высокая. Наряду с боридами железа в легированном слое также содержатся карбиды бора В13С2, В4С, В10С2 (на дифрактограмме не показаны) и железа ^е7С3, Fe5C2, Fe3C). Видно, что бориды железа являются основными фазами, а карбиды присутствуют в незначительном количестве. Образование карбидных составляющих в легированном слое свидетельствует о взаимодействии бора из покрытия с углеродом заливаемого расплава и продуктами термодеструкции материала модели - пенополистирола, который является источником углерода [11]. Таким образом, углерод расплава заливаемых сталей существенного влияния на фазовый состав легированного слоя отливок не оказывает, но определяет глубину легирования бором и дисперсность фаз: с его увеличением глубина легирования уменьшается, а дисперсность структурных составляющих повышается.

л н о о К ю к

о К <и н К

К

2Theta/Cu ^=1,54060)

Рис. 3. Дифрактограмма с поверхности отливки из стали У8, легированной ферробором ВЫВОДЫ

Методом литья по газифицированным моделям получен легированный (борированный) слой с высокой твердостью в отливках из стали 10, 45 и У8, глубина которого зависит от содержания углерода в стали и изменяется в пределах 1,6^3,0 мм.

Твердость легированного слоя выше твердости основного металла в 2,5^3 раза, составляет 69^72 ед. НКС и обусловлена наличием боридов и карбидов железа.

Влияние углерода в заливаемом расплаве сталей прослеживается опосредованно через дисперсность фаз, которые наряду с боридами вносят дополнительный вклад в твердость легированного слоя.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Попилов Л.Я. Электрофизическая и электрохимическая обработка материалов. М. : Машиностроение, 1982. 400 с.

2. Молодык Н.В., Зенкин А.С. Восстановление деталей машин. М. : Машиностроение, 1989. 479 с.

3. Смеляков М.Н. Армированные отливки. М. : Машгиз, 1958. 168 с.

4. Затуловский С.С. Суспензионная разливка. Киев : Наукова думка, 1981. 260 с.

5. Степанов Ю.А. Специальные виды литья. М. : Машиностроение, 1970. 224 с.

6. Шуляк В.С. Литье по газифицируемым моделям. СПб. : НПО «Профессионал», 2001. 408 с.

7. Лещев А.Ю., Липанов А.М., Овчаренко П.Г., Дементьев В.Б. Способ введения модификаторов и легирующих добавок при литье по газифицируемым моделям // Патент РФ № 2427442. 2011. Бюл. № 24.

8. Фарафошин В.В., Ильин Б.Д., Овчаренко Г.И., Васильев С.В., Липанов А.М., Лещев А.Ю., Овчаренко П.Г. Способ легирования поверхности отливок из железоуглеродистых сплавов // Заявка № 2011109709. 2012. Бюл. № 26.

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

10. Лахтин Ю.М. Металловедение и термическая обработка металлов. М. : Металлургия, 1976. 408 с.

11. Строительное, дорожное и коммунальное машиностроение. Обзорная информация. М. : ЦНИИТЭстроймаш, 1984. 63 с.

BORONIZING CARBON STEEL AT LOST FOAM CASTING

Dementyev V.B., Ovcharenko P.G., Leshchev A.YU., Makhneva T.M.

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

SUMMARY. Investigated the phase composition, microstructure and hardness of castings from carbon steel grades 10, 45 and U8 after doping when casting for the installed gas models. The influence of carbon dioxide on the character of changes of the structure and the level of hardness. Determined by the phase composition of the surface of castings and depth of doping. Achieved an increase in hardness alloy surface in comparison with the base metal steels 2.5 ^ 3 times.

KEYWORDS: surface alloying, ferroboron, borides iron, microstructure, microhardness, lost foam casting.

Дементьев Вячеслав Борисович, доктор технических наук, директор ИМ УрО РАН, тел. (3412) 20-29-25, e-mail: demen@udman.ru

Овчаренко Павел Георгиевич, инженер ИМ УрО РАН

Лещев Андрей Юрьевич, инженер ИМ УрО РАН

Махнева Татьяна Михайловна, доктор технических наук, главный научный сотрудник ИМ УрО РАН, тел. (3412) 20-34-66, e-mail: mah@udman.ru