Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса и задачи исследования 10
1.1 Строение и свойства боридов 10
1.2 Методы борирования 18
1.3 Строение и защитные свойства диффузионных боридных покрытий 26
1.4 Выводы и задачи исследования 39
Глава 2. Материалы и методы исследования 40
2.1 Исследуемые материалы 40
2.2 Технология нанесения покрытий 42
2.3 Методы исследования структуры покрытия 44
2.4 Методы испытания защитных свойств 47
Глава 3. Влияние химического состава стали-основы на структуру, фазовый, химический состав и электромагнитные свойства диффузионных боридных покрытий 52
3.1 Строение и фазовый состав диффузионных боридных покрытий на малоуглеродистой и легированных сталях 52
3.2 Микротвердость и упруго - пластические свойства диффузионных слоев 60
3.3 Электромагнитные характеристики диффузионного боридного покрытия 65
Выводы по главе 3 70
Глава 4 Исследование термостойкости боридных покрытий 72
4.1 Влияние состава и строения боридных покрытий на их термостойкость без приложения внешней нагрузки 73
4.2. Характер разрушения боридного покрытия на малоуглеродистой стали при термоциклировании под нагрузкой на воздухе, в атмосфере азота и водорода 76
4.3. Особенности разрушения боридного покрытия на штамповой стали 4Х5МФС при термоциклировании под нагрузкой на воздухе, в атмосфере азота и водорода 86
Выводы по главе 4 95
Глава 5. Влияние состава и строения боридных покрытий на износостойкость 97
5.1. Определение линейного износа покрытий и рельефа поверхности после испытаний по результатам воздействия на образцы индентором из твердого сплава ВК9 97
5.2. Определение трибологических характеристик боридных покрытий при испытаниях по схемам «вал-втулка» и «вал-пластина» 102
5.3. Оценка эксплуатационной повреждаемости покрытий
5.3.1. Исследования борированных деталей для режущего инструмента 113
5.3.2. Исследование изменений структурного состояния боридного покрытия на поверхности штампа холодного деформирования 118
Выводы по главе 5 121
Заключение 123
Список литературы 126
- Строение и защитные свойства диффузионных боридных покрытий
- Методы исследования структуры покрытия
- Микротвердость и упруго - пластические свойства диффузионных слоев
- Определение трибологических характеристик боридных покрытий при испытаниях по схемам «вал-втулка» и «вал-пластина»
Введение к работе
Актуальность темы исследования и степень ее разработанности.
Диффузионные боридные покрытия давно и успешно используются для защиты
поверхностей тяжелонагруженных деталей, эксплуатируемых в условиях
циклически меняющихся температур и механических нагрузок. В работах Н.Н.
Митроховича, В.П. Фетисова, Л.Г. Ворошнина, В.И. Похмурского, Б.Н. Гузанова,
В.Е. Панина, С.Ю. Тарасова, А.В. Колубаева. О.В. Сизовой, Я.Б. Чернова, А.И.
Анфиногенова, Н.И. Шурова рассмотрены различные методы нанесения таких
покрытий и их свойства, что позволяет выбирать оптимальную технологию
диффузионного борирования для конкретных деталей. В настоящее время широко
известны работы школы физической мезомеханики под руководством академика
РАН В.Е. Панина, посвященные самоорганизации структуры деформированного
материала, в том числе и боридных покрытий, на разных масштабных уровнях.
Анализ литературных данных показал, что практически отсутствуют работы, в
которых сформулированы основные положения о влиянии того или иного элемента
основы на строение и химический состав отдельных зон диффузионных боридных
покрытий, а также на механизмы их разрушения при термомеханическом
воздействии. Поэтому является весьма актуальным проведение исследований
влияния легирующих элементов стали-основы на химический состав и
распределение свойств борированных слоев, а также на характер деградации
покрытий при термоциклировании и износе, особенно в условиях гетерогенного
режима трения, когда между поверхностями протекают сложные и существенно
отличающиеся по физической сущности процессы: окисление, связанное с доступом
атмосферного кислорода, влаги и органической смазки на разных этапах отработки
трибосопряжения, пластическая деформация отдельных микрообластей
шероховатой поверхности, трещинообразование, адгезия, диффузия, схватывание.
Цель работы – установить влияние химического состава стали на строение, химический и фазовый составы, свойства диффузионных боридных покрытий, выбрать параметры неразрушающего контроля толщины покрытий.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
-
Определить фазовый и химический составы и микромеханические свойства отдельных зон диффузионных боридных покрытий на сталях разного химического состава.
-
Изучить влияние толщины диффузионных боридных покрытий на изменение электромагнитных свойств образцов из стали 4Х5МФС.
-
Определить механизмы разрушения диффузионных боридных покрытий на углеродистой и штамповых сталях в условиях термоциклирования.
-
Установить взаимосвязь между составом боридного покрытия и его термостойкостью, износостойкостью, диффузионной стабильностью.
Научная новизна результатов работы заключается в следующем:
1. Установлено влияние легирующих элементов исследованных сталей на
химический состав всех зон диффузионных боридных покрытий, соотношение слоев
боридов МВ и М2В и фазовый состав переходной зоны на границе с основой.
2. Определена растворимость хрома, содержащегося в стали-основе, в боридах
железа, образовавшихся в поверхностном слое после диффузионного борирования.
Показано, что на сталях, легированных хромом, в покрытии формируются
легированные бориды (Fe,Cr)B и (Fe,Cr)2B, которые приобретают способность
пластически формоизменяться при интенсивном трибологическом нагружении.
-
Показана возможность использования электромагнитных характеристик, а именно коэрцитивной силы, удельного электросопротивления и максимальной магнитной проницаемости, в качестве параметров неразрушающего контроля толщины боридных покрытий.
-
Экспериментально выявлена определяющая роль окислительных процессов на границе «сталь-покрытие» в разрушении боридных покрытий при термоциклировании на воздухе и положительная роль легирования покрытий хромом из стали-основы с точки зрения образования защитной тонкой оксидной пленки Cr2O3.
Теоретическая значимость
Диссертационная работа соискателя вносит вклад в развитие
материаловедения, заключающийся в расширении существующих представлений о путях повышения защитных свойств диффузионных боридных покрытий за счет рационального выбора марки стали для деталей штампового и режущего инструмента, а также пар трения. Выполненные в работе исследования показали возможность существенного повышения стойкости диффузионных боридных покрытий в условиях термоциклирования и износа за счет их легирования хромом и кремнием из стали - основы.
Практическая значимость результатов исследований
Результаты работы используются на предприятии АО «Уралтрансмаш» для повышения износостойкости режущего инструмента и упрочнения пар трения. Разработана технологическая инструкция диффузионного борирования ряда деталей, используемых в производственном процессе. Соответствующие документы приложены к диссертационной работе.
Результаты исследований используются при чтении курса лекций и проведении лабораторных занятий по дисциплинам «Технология материалов и покрытий» для бакалавров по направлению подготовки 150.100.62 и «Химико-термическая обработка и покрытия» для магистров по направлению подготовки 150.100.68 ФГОУ ВПО УрФУ имени первого президента России Б.Н. Ельцина. Соответствующие документы приложены к диссертационной работе.
Исследования, представленные в диссертационной работе, выполнены в рамках выполнения госбюджетных тем № 01201268984 и 012001375907, программы № 13 фундаментальных исследований Отделения энергетики, машиностроения, механики и процессов управления “Многоуровневое исследование свойств и поведения перспективных материалов для современных узлов трения”, проекта
Президиума УрО РАН № 12-Т-1-1010, при поддержке гранта РФФИ № 13-01-00516 и гранта молодых ученых и аспирантов Президиума УрО РАН № 11-1-НП-388.
Методология и методы исследования
Научные исследования были проведены с привлечением современных
методов материаловедения, физико-химического и спектрального анализа,
металлографии, электронной растровой микроскопии. Применялись
стандартизованные и оригинальные методики для проведения механических испытаний, определения твердости, испытаний износостойкости и термостойкости.
Положения, выносимые на защиту:
-
Химический и фазовый составы диффузионных боридных покрытий, обеспечивающие максимальную стабилизацию свойств поверхности деталей в условиях окисления и износа: содержание хрома в боридах железа должно быть не менее 4 мас. %, в переходной зоне содержание кремния должно составлять не менее 2 мас. % для формирования демпфирующей прослойки кремнистого феррита.
-
Результаты испытаний электромагнитных свойств образцов из стали 4Х5МФС без покрытий и после нанесения диффузионных боридных покрытий разной толщины.
-
Механизмы разрушения диффузионных боридных покрытий на углеродистой и штамповой сталях в условиях термоциклирования под нагрузкой в атмосферах азота, водорода и на воздухе. В воздушной атмосфере преобладает разрушение за счет окисления стали-основы на границе с покрытием, вызывающее отслоение боридов и их выкрашивание. В атмосфере азота выталкивающее действие на бориды железа оказывает увеличение объема стали под покрытием в местах локализации пластической деформации, связанное с поступлением азота. В восстановительной атмосфере разрушение покрытия происходит за счет множественного квазипериодического растрескивания, характер которого определяется пластичностью основы.
-
Механизм деградации боридных покрытий при интенсивном трибологическом нагружении в паре трения «вал-втулка», заключающийся в пластическом формоизменении боридов железа, фрагментации их зерен и выглаживании поверхностей сопряжения.
Достоверность основных научных положений и выводов,
сформулированных в диссертации, обеспечена применением апробированных методик и современного оборудования, проверкой полученных результатов альтернативными методами исследования, а также их соответствие данным других исследователей.
Апробация результатов. Основные положения и результаты
диссертационной работы были доложены и обсуждены на следующих российских и международных конференциях: IV и V Российская научно-техническая конференция «Ресурс и диагностика материалов и конструкций» (Екатеринбург, 2009 и 2011); X Международная научно-техническая уральская школа-семинар металловедов-молодых ученых (Екатеринбург, 2009); XIX Петербургские чтения по проблемам прочности, посвященные 130-летию со дня рождения академика АН УССР Н.Н. Давиденкова (Санкт-Петербург, 2010); VI и VII Всероссийская
конференция «Механика микронеоднородных материалов и разрушение»
Екатеринбург, 2010 и 2012); Международная конференция по физической
мезомеханике, компьютерному конструированию и разработке новых материалов
(Томск, 2011), V Международная конференция «Деформация и Разрушение
Материалов и Наноматериалов» (Москва, 2011); ХХI Уральская школа
металловедов-термистов (Магнитогорск, 2012); I и II Международные
интерактивные научно-практические конференции «Инновации в материаловедении и металлургии» (Екатеринбург, 2012, 2013); XIII Международная конференция «Физика прочности и пластичности материалов» (Самара, 2012); Научно-практическая конференция «Актуальные вопросы конструкционной прочности и износостойкости деталей машин» (Нижний Тагил, 2014);VIII, IX и Х Российские научно-технические конференции «Механика, ресурс и диагностика материалов и конструкций» (Екатеринбург, 2014, 2015 и 2016).
Публикации: основное содержание работы отражено в 13 публикациях, в том числе в 4 статьях в рецензируемых научных журналах определенных ВАК России.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка цитируемой литературы, включающего 150 наименования. Содержание диссертации изложено на 164 страницах, включая 57 рисунка, 13 таблиц и 4 приложения.
Строение и защитные свойства диффузионных боридных покрытий
В моноборидах МВ металлическую решетку пронизывают зигзагообразные цепочки непосредственно связанных друг с другом атомов бора; каждый атом бора располагается в центре тригональной призмы, в вершинах которой находятся атомы металла. В данном случае необходимо различать три типа структур, представителями которых являются FeB, CrB и MoB. Они очень сходны между собой и различаются лишь способом соединения призм друг с другом. Структура типа FeB и CrB характерна для соединения МВ постоянного состава. Структура типа MoB обычно возникает у соединений, обладающих небольшим интервалом гомогенности, границы которого лежат по разные стороны от стехиометрического состава. Возможность возникновения в цепочках атомов бора вакансий или появление в них лишних атомов бора облегчается большим размером атомов Мо и W [5].
«Сдвоенные» цепочки атомов бора в боридах типа М3В4 можно рассматривать как промежуточную стадию на пути образования двумерных сеток, которые реализуются в боридах типа МВ2.
В системах Мо – В и W – В при составе М2В5 образуются фазы, которые являются более сложными вариантами фаз МВ2. Основное отличие заключаются снова в последовательности упаковки, а именно в боридах МВ2 слои атомов металла упакованы в порядке АААА (простая гексагональная структура, как в карбиде вольфрама WC), тогда как в W2В5 реализуется упаковка ААВВААВВАА, а в Мо2В5 – ААВВССААВВСС. Сетки атомов бора в этих структурах внедрены в междоузлия металлической решетки по-разному.
Наконец, структуру высших боридов (МВ4, МВ6, МВ12) можно рассматривать как трехмерный каркас из атомов бора, в пустотах которого располагаются атомы металла. Образование высших боридов характерно для редкоземельных и щелочноземельных металлов [6].
Область допустимых взаимозамещений С – В в фазе Fe(C,B) довольно широка. Это имеет большое значение, так как позволяет введением бора изменять (и часто улучшать) свойства сталей. Многие монобориды кристаллизуются в структуры трех сходных типов: FeB, CrB и МоВ, в которых имеются цепочки атомов бора. В моноборидах каждый атом металла окружен десятью атомами металла и семью атомами бора [7].
Для понимания характера влияния бора на свойства стали, важное значение имеет существование двух боридов железа Fe2B и FeB и изоморфных им фаз других металлов, а также появление различных боридных фаз при переходе к соседним элементам (т.е. к Cr и Mn, а также к Co и Ni) [8].
Многие исследователи изучали систему Fе—В задолго до появления современных боросодержащих сталей и использования бора в качестве легирующего элемента. Эту систему независимо друг от друга построили Н. П. Чижевский и А. Герд, Г. Ханнесен, Ф. Вевер и А. Мюллер [9]. Диаграмма состояния, построенная по данным этих исследователей, показана на рисунке 1.2.
Система Fе—В широко исследовалась в течение многих десятилетий, и во всех случаях в качестве фазы, находящейся в равновесии с первичными – , – и – твердыми растворами, указывается стабильный гемиборид Fe2B. Хотя соединение Fe2B является равновесной фазой, было обнаружено, что реальными фазами, наблюдающимися после термообработки при определенных режимах на границе зерен в ферритной и (в легированных сталях) в аустенитной матрице, в сталях с низким содержанием бора является как Fe2B, так и FeB. Все эти особенности являются прямым отражением переходного, неустойчивого характера химической связи между атомами железа и бора, когда стабилизацию или, наоборот, дестабилизацию любой из этих структур могут вызвать небольшие добавки третьего элемента, например углерода [10].
Борид Fе2В образуется при содержании бора 8,84% (по массе) и имеет тетрагональную пространственно-центрированную кристаллическую решетку. Борид FеВ образуется при содержании бора 16,25% по массе, и обладает ромбической структурой с четырьмя атомами в элементарной ячейке [11]. Сечение тройной диаграммы сечения Fe – B – C (б) [11] На рисунке 1.2 видно, что борид Fе2В плавится при температуре 1389 С, а при содержании 3,8% бора образует с ферритом эвтектику с температурой плавления 1174 С. При содержании бора выше 9% в системе появляется химическое соединение FеВ, плавящееся при 1540 С и существующая в двух полиморфных разновидностях с температурой превращения 1135 С: – FеВ до 1135 С и – FеВ выше 1135 С. При отношении размеров атома растворимого вещества к размеру атома растворителя в пределах 0,85 – 1,0 наиболее благоприятны возможности для образования твердых растворов замещения, а при соотношении меньше 0,59 твердых растворов внедрения [12 – 13].
Таким образом, существуют (с этой точки зрения) неблагоприятные возможности для образования, как твердых растворов замещения, так и твердых растворов внедрения. Возможно, что этим объясняется вообще очень малая растворимость бора в твердом железе.
Согласно диаграмме состояния железо-бор, приведенной на рисунке 1.2, борирование железа теоретически возможно начиная с температуры 870 С. При этом последовательно образуются следующие соединения: моноборид железа FeB и гемоборид железа Fе2В. Данные соединения являются устойчивыми вплоть до комнатной температуры. Моноборид железа является устойчивым во всем температурном интервале существования и плавится конгруэнтно. Гемиборид железа образуется по перитектической реакции:
FeB + Ж = Fе2В (1.1)
при охлаждении до температуры 1389 С и существует вплоть до комнатной температуры [14]. Как видно из диаграммы, температурный интервал диффузионного борирования относительно узок: от 870 до 1174 С, так как при 1174 С при концентрации бора около 17 % образуется легкоплавкая эвтектика, что чревато оплавлением насыщаемой детали и в результате ее отбраковки из-за потери геометрической формы. Поэтому процесс диффузионного борирования ограничивают верхним пределом температуры насыщения 1150 С. На практике же борирование проводят при температуре около 950 С. Все боридные фазы имеют весьма различные свойства (Таблица 1.1).
Методы исследования структуры покрытия
Активаторы воздействуют на рост и равномерность слоя. При температуре борирования атмосфера в контейнере разреженная. Это обеспечивает отсутствие в слое оксидов и в значительной степени предотвращает спекание материала для борирования. Предварительно активатор просушивали по режиму: загрузка в печь при температуре (400±10) С, выдержка 2ч, охлаждение на воздухе. Просушенные компоненты просеивали через сито с величиной ячейки не более 1 мм и хранили в закрытой таре.
Химический состав материалов определяли с помощью спектрометра для анализа металлов SPECTRO - MAXx LMF04. В этом контрольном приборе материал пробы испаряется в результате искрового разряда. Освобождаемые при этом атомы и ионы возбуждаются и излучают свет. Этот свет направляется в оптические системы и измеряется с помощью техники CCD. В память устройства заранее внесены калибровочные данные. Измеренные значения сравниваются с этими данными. Измеренные значения пересчитываются в концентрации, а затем показываются на экране.
Температурно – временные параметры процессов насыщения выбирали, исходя из требуемой толщины диффузионного слоя. После проведения процессов диффузионного насыщения визуально контролировали качество образцов. Толщину диффузионного слоя измеряли на поперечных микрошлифах. Для изучения особенностей формирования и строения диффузионных слоев, их фазового и химического состава использовались стандартные методы анализа, характеристики которых приведены в главе 2.3.
Процесс диффузионного борирования проводили в контейнере с плавким затвором и крышкой (на рисунке 2.1 представлен чертеж контейнера). Контейнер изготавливали из нержавеющей стали марки 08Х18Н10Т или 12Х18Н10Т. Для просеивания порошков насыщающей смеси используют сито с размером ячейки не более 1 мм. 1 – корпус контейнера;
Герметичность контейнера обеспечивается за счет плавкого затвора, в качестве которого использовали жидкое стекло, размолотое до фракции (0,3…3) мм, для максимальной эффективности плавкого затвора. Крышку контейнера утапливали в песок, затем засыпали размельченное жидкое стекло. Процесс термодиффузионного борирования проводили при температуре 900 С, выдерживали 3, 5, 6, 8 и 12 ч. при этой температуре. После завершения выдержки при 900 С печь выключали и охлаждали вместе с контейнером до комнатной температуры. Допускается выгрузить контейнер из печи при температуре 200 – 400 С.
Кратность использования порошковой насыщающей смеси без добавления свежих компонентов составляет 5 раз. Необходимость обновления смеси устанавливается по толщине боридного покрытия на образцах-свидетелях, которые закладываются вместе с деталями при каждом насыщении. Насыщение сталей проводили в лабораторных электропечах сопротивления с точностью регулирования температуры ±5 С.
После насыщения образцы чистили щеткой, затем промывали в ультразвуковой ванне для удаления частичек порошковой смеси, сушили на воздухе.
Для исследования микроструктуры материалов и покрытий в исходном состоянии и после испытаний выбраны методы оптической металлографии, фазового рентгеноструктурного анализа, растровой электронной микроскопии и локального микрорентгеноспектрального анализа.
Металлографический анализ проводили на металлографическом микроскопе NEOFOT-21 (увеличение от 50 до 1000 крат). Выявление структуры сплавов и покрытий осуществляли химическим травлением в азотной кислоте.
Методом рентгеноструктурного анализа с ионизацией регистрацией определяли фазовый состав покрытий на дифрактометре SHIMADZU в Cr–k излучении1. Рентгеновский дифрактометр SHIMADZU XRD-7000 предназначен для проведения широкого спектра исследований в области рентгеноструктурного анализа. Сбор данных автоматизирован и производиться непосредственно в память персонального ЭВМ. С помощью программного обеспечения происходит обработка полученных результатов [80].
Микротвердость и упруго - пластические свойства диффузионных слоев
Многие исследователи ранее обращали внимание на механизм влияния элементов основы на структуру и свойства диффузионных покрытий, [82] однако до сих пор не сформулированы четкие представления о влиянии легирующих элементов на комплекс физико-механических свойств именно боридных покрытий, а также на механизмы их разрушения при термомеханическом воздействии.
В связи с вышесказанным научный и практический интерес представляют исследования влияния легирующих элементов стали-основы на строение и свойства отдельных зон диффузионных боридных покрытий.
Боридные покрытия, как и все диффузионные, характеризуются структурной наследственностью, которая проявляется в легировании элементами стали-основы, что, безусловно, сказывается на защитных свойствах [83]. В связи с этим интерес представляло проведение исследований на углеродистых и легированных сталях.
В процессе борирования происходит перераспределение легирующих элементов в поверхностных слоях насыщаемого металла. Так, молибден вытесняется из зоны боридов в основной металл, титан концентрируется в бориде FeB, т.е происходит диффузия титана из основного металла в боридный слой. Никель концентрируется в зоне борида Fe2B. Хром и марганец при борировании диффундирует в зону боридов, образуя (Fe, Mn, Cr)B и (Fe, Mn, Cr)2B, которые по строению аналогичны боридам FeB и Fe2B.
Средняя концентрация бора в покрытии на Ст3 – не более 15 мас. %; на стали У8 – до 12 мас. %; на стали 12Х18Н10Т – до 20 мас. %; на штамповой стали 7ХМФС – до 18 мас. %; на 4Х5МФС – до 14 мас. %; на 55Х6В3СМФ – до 18 мас. %; на стали ШХ15 – до 15 мас. %. Характер распределения бора по толщине покрытий на всех сталях одинаков, максимальная концентрация этого элемента фиксируется вблизи поверхности, по толщине однофазных зон она сохраняется практически неизменной, в переходной зоне вблизи основы она плавно уменьшается и достигает содержания бора в основном материале.
На углеродистой стали марки Ст3 покрытие представляет собой трехслойную композицию: внешний слой боридов FeB в виде вытянутых зерен (на металлографическом шлифе после травления они имеют более темную окраску – рисунок 3.1 а); основу покрытия составляет борид Fe2B (светлые иглы на рисунке 3.1 а); на границе со сталью образуется переходная зона твердого раствора бора в феррите (концентрация бора плавно уменьшается от 4 мас. % до нуля в стали-основе). Характерной особенностью покрытия на стали марки Ст3 является глубокое внедрение конусообразных зерен боридов в сталь, что многие авторы считают причиной прочного сцепления покрытий с основой. Действительно, в условиях термоциклирования под нагрузкой зерна боридов продемонстрировали прочную связь с углеродистой сталью марки Ст3 и друг с другом, что будет показано далее. Следует обратить внимание на строение боридного покрытия на стали У8 (Рисунок 3.1 б). Стали этого класса склонны к перегреву и растрескиванию при закалке, поэтому температура их борирования должна строго соответствовать температурам нагрева под закалку, при которых скорость насыщения бором невелика. В связи с этим слой состоит их довольно узкой зоны борида Fe2B, под которой расположен слой твердого раствора бора в железе.
На легированных сталях боридные иглы фазы Fe2B скругляются. Фазы FeB и Fe2B содержат хром в количествах, близких его содержанию в стали-основе, т.е. по сути являются легированными боридами (Fe,Сr)B и (Fe,Cr)2B. Переходная зона представляет механическую смесь борированного феррита, в котором содержание бора плавно убывает до нуля, и глобулярных частиц боридов хрома, вольфрама, молибдена и титана (Рисунок 3.1 в, г и д). На стали ШХ15 диффузионная подвижность бора понижена в связи с высоким содержанием углерода, поэтому борированный слой состоит, в основном из борида FeB, узкой зоны борида Fe2B, под которой расположен слой твердого раствора бора в железе (Рисунок 3.1 е), а на стали марки 12Х18Н10Т – (Fe,Сr,Ni)B и (Fe,Cr,Ni)2B, поэтому в дальнейшем эти бориды обозначены в общем виде как МВ и М2В (М – металлы Fe, Cr, Ni) [84]. Бориды (Fe,Cr,Ni)B и (Fe,Cr,Ni)2B не имеют выраженного игольчатого строения, как на углеродистой или штамповых сталях, граница между покрытием и сталью 12Х18Н10Т ровная. На границах аустенитного зерна под покрытием наблюдаются мелкие бориды хрома, идентифицированные как Cr5B3, которые образуются и по границам аустенитного зерна в основе на глубину 60 мкм
Определение трибологических характеристик боридных покрытий при испытаниях по схемам «вал-втулка» и «вал-пластина»
Как известно, бориды железа характеризуются высокой стойкостью к окислению при высоких температурах в окислительных средах. В условиях изменения температурного режима из-за различий теплофизических свойств боридов железа и стали в покрытии возникают микротрещины, которые при механических нагрузках легко распространяются по межзеренным границам на всю толщину покрытия и в основу [108]. Игольчатое строение боридных покрытий может существенно снизить и показатели жаро– и коррозионной стойкости, поскольку кислород и химически активные реагенты легко проникают вдоль линейных границ зерен боридов к основе. Атмосферы азота и особенно водорода могут повлиять на характер повреждения борированного слоя при термоциклировании под нагрузкой за счет подавления образования оксидов железа, укрепления связей между иглами боридов, а также между покрытием и основой [109].
Под действием мезоконцентраторов напряжений на границе раздела происходит мелкое растрескивание покрытия, причем трещины не распространялись через всю ширину образца. Детальное изучение поверхности боридного покрытия, проведенное на разрушенных образцах с помощью растрового электронного микроскопа, показало, что траектория распространения трещин определяется игольчатой структурой боридного покрытия [110]. Первоначально локальная область разрушения зарождается вблизи наиболее мощного концентратора напряжений на границе раздела «покрытие–основа» [111]. В результате окружающие области начинают интенсивно деформироваться, формируется новый концентратор на границе зоны разрушения, и трещина распространяется в направлении, перпендикулярном приложению нагрузки. Данный процесс сопровождается релаксацией напряжений по мезообъему – происходит разгрузка материала покрытия. При этом стальная подложка продолжает деформироваться пластически в соответствии с законом упрочнения. Концентратор напряжений вблизи первичной зоны разрушения в покрытии релаксирует в основу в виде полос локализованной деформации. Полосы ориентированы в направлении максимальных сдвиговых напряжений под углом приблизительно 45 градусов. При дальнейшем нагружении в результате деформирования подложки общий уровень напряжений растет, формируется новая область повышенной концентрации напряжений на границе раздела, и, как только интенсивность напряжений достигает критической величины, распространяется новая трещина, вызывая разгрузку покрытия и интенсивное пластическое течение в основе. Далее процесс повторяется, приводя к квазипериодическому растрескиванию поверхностного слоя [112].
Термоциклирование образцов с покрытиями осуществляли путем нагрева до температуры 900 С, выдержки 30 мин. и охлаждения на воздухе. Рельеф поверхности образцов после испытаний представлен на рисунке 4.1.
Легирующие элементы основы оказали влияние и на характер разрушения боридных покрытий при термоциклировании. В большей степени покрытие сохранилось на стали 4Х5МФС, лишь на отдельных локальных участках наблюдали отслаивание внешней зоны покрытия (Fe,Cr)B. На участках локализации пластической деформации в поверхностном слое отмечено «разрыхление» покрытия (Рисунок 4.1 а): иглы боридов раздвигаются на некоторое расстояние друг от друга, образуя микротрещины. Следует отметить, что отслаивание внешней зоны покрытия, состоящей из боридов МВ, характерно для покрытий на всех исследованных сталях. После 20 циклов нагрева до 900 С и охлаждения до комнатной температуры на поверхности образца из стали 7ХМФС наблюдали растрескивание боридного покрытия во взаимно-перпендикулярных направлениях (Рисунок 4.1 б). В большей степени отслаивание поверхностного слоя проявилось на углеродистой и аустенитной сталях (Рисунок 4.1 в). Иглы боридов Fe2B в покрытии на углеродистой стали в процессе термоциклирования выталкивались оксидами железа (Рисунок 4.1 г), образующимися на границе с основой. Если на стали Ст3 зафиксировано отслоение покрытия по границе с основой, то на коррозионностойкой стали 12Х18Н10Т отшелушевается только слой боридов FeB.