Совершенствование технологии бороалитирования сталей из обмазок для повышения жаростойкости и износостойкости Полянский Иван Петрович

Содержание к диссертации

Введение

1 Упрочнение железоуглеродистых сплавов методами химико-термической обработки и ее актуальность в современном машиностроении 15

1.1 Классификация методов и способов химико-термической обработки 16

1.2 Физико-химические особенности многокомпонентной химико-термической обработки 19

1.2.1 Массоперенос при химико-термической обработке 20

1.3 Насыщение сталей бором и алюминием 25

1.3.1 Борирование сталей 25

1.3.2 Упрочнение технологической оснастки различными способами борирования 26

1.3.3 Алитирование сталей 31

1.3.4 Бороалитирование сталей 33

1.4 Химико-термоциклическая обработка 40

1.5 Анализ причин выхода из строя штамповой оснастки и пути повышения ее стойкости методами химико-термической обработки 44

1.6 Выводы 46

2 Материалы и методы исследования 48

2.1 Термодинамические расчеты 48

2.2 Материалы исследования 49

2.3 Технология и режимы бороалитирования в обмазках 52

2.4 Структурные методы исследования материалов 56

2.4.1 Оптическая микроскопия 56

2.4.2 Растровая электронная микроскопия и микрорентгеноспектральный анализ 57

2.4.3 Рентгенофазовый анализ 57

2.5 Определение микротвердости 58

2.7 Испытания на жаростойкость 58

2.8 Испытания на износостойкость 59

3 Термодинамический анализ химических реакций при бороалитировании 60

3.1 Приближенный метод расчета равновесия химических реакций 61

3.2 Анализ диаграмм состояния Fe-Al, Fe-B, Al-B-Fe 62

3.3 Расчет химических реакций 68

3.4 Выводы 72

4 Исследование структуры бороалитированных слоев 74

4.1 Отработка составов насыщающей обмазки для ороалитирования 74

4.2 Отработка режимов термоциклического бороалитирования в обмазках 82

4.3 Влияние температуры и времени выдержки при изотермическом бороалитировании на структуру диффузионного слоя 93

4.4 Влияние времени выдержки при высокотемпературном (1100 С) изотермическом бороалитировании на структуру диффузионного слоя 98

4.5 Выводы 100

5 Исследование жаростойкости и износостойкости бороалитированных слоев 102

5.1 Испытания на жаростойкость 102

5.2 Испытания на износостойкость 104

5.3 Промышленные испытания штамповой оснастки, обработанной по технологии бороалитирования 107

5.4 Выводы 108

Заключение 110

Список литературы 113

Приложения 133

Приложение А (Патент на изобретение «Обмазка для бороалитирования стальных изделий») 134

Приложение Б (Патент на изобретение «Способ термоциклического бороалитирования стальных изделий») 136

Приложение В (Комплект штамповой оснастки (технологическая документация)) 138

Приложение Г (Акт промышленных испытаний штамповой оснастки) 141

Приложение Д (Акт использования результатов диссертационной работы в учебном процессе) 142

• Массоперенос при химико-термической обработке
• Анализ диаграмм состояния Fe-Al, Fe-B, Al-B-Fe
• Отработка режимов термоциклического бороалитирования в обмазках
• Испытания на износостойкость

Введение к работе

Актуальность темы исследования. Прогресс в современной технике неразрывно связан с созданием наиболее эффективных методов повышения эксплуатационных свойств деталей машин, инструмента и технологической оснастки, работающих в условиях изнашивания, высоких температур путем поверхностного упрочнения. Одним из наиболее эффективных и распространенных методов поверхностного упрочнения является химико-термическая обработка (ХТО). Методами ХТО на поверхности сталей получают весь спектр требуемых при эксплуатации изделий свойств: высокая твердость, коррозионная стойкость, износостойкость, жаростойкость и др. Несмотря на значительную историю развития ХТО и огромное количество работ в этой области, возможности ХТО до конца не исчерпаны.

Широкое применение в машиностроительной отрасли получили процессы цементации, нитроцементации, азотирования, цианирования, борирования, алитирова-ния и др.

Большой вклад в разработку теории и технологии получения многокомпонентных диффузионных слоев на основе металлоподобных соединений (боридов, алю-минидов, силицидов, карбидов и т.д.) внесли советские и российские ученые: Ляхо-вич Л.С., Ворошнин Л.Г., Крукович М.Г., Земсков Г.В., Коган Р.Л., Ситкевич М.В. и др. Многокомпонентное насыщение позволяет создавать диффузионные слои, которые по своим эксплуатационным свойствам существенно превосходят традиционные однокомпонентные слои.

Одним из методов ХТО является бороалитирование. Поверхностное насыщение стали бором и алюминием позволяет получить на поверхности стали слои с высокой жаро- и износостойкостью. Бороалитирование применяют для поверхностного упрочнения литейной и штамповой оснастки. Варьирование количественным содержанием компонентов, входящих в состав смеси, позволяет управлять структуро-образованием и получать слои с заданными свойствами в зависимости от эксплуатационных требований к детали.

Процессами одновременного или последовательного насыщения бором и алюминием (бороалитированием) занимаются исследователи из России, Греции, Болгарии, Южной Кореи, США.

Очень часто некоторые детали, в частности, детали литейной, штамповой оснастки и т.д., имеют весьма габаритные размеры и для них требуется обработка только рабочей части, поэтому актуальной задачей является разработка технологии насыщения из обмазок.

Исследования, представленные в диссертационной работе, частично выполнялись при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ по государственному заданию (№ 2014/23), гранта Президента РФ для молодых кандидатов наук 2015 (№ 14.Z56.15.2752-MK) и грантов «Молодые ученые ВСГУТУ» (2013-2016 гг.).

Цель диссертационной работы заключалась в повышении эксплуатационных свойств деталей машин, инструмента и технологической оснастки на основе исследования диффузионных процессов при насыщении из обмазок бором и алюминием.

Для решения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Проведение термодинамического анализа химических реакций, протекающих при бороалитировании из обмазок содержащих B₄C, Al и NaF.

1. Разработка и исследование составов обмазок для одновременного насыщения бором и алюминием.

2. Отработка режимов изотермического и термоциклического бороалитирования для получения жаро- и износостойких слоев на поверхности стали.

3. Проведение металлографических, электронно-микроскопических и рентгено-фазовых исследований диффузионных слоев, сформированных в результате изотермического и термоциклического бороалитирования.

4. Оценка свойств диффузионных слоев при испытании на жаро- и износостойкость в зависимости от режимов бороалитирования.

5. Проведение промышленных испытаний штамповой оснастки, обработанной по технологии бороалитирования из обмазок.

Научная новизна работы:

В работе были установлены следующие научные положения и закономерности:

1. Разработаны составы насыщающих смесей, позволяющие управлять структу-рообразованием бороалитированного слоя. Установлено, что содержание в составе обмазки 28-48 % Al, приводит к формированию преимущественно алитированных диффузионных слоев. Содержание Al до 18% приводит к формированию диффузионного слоя состоящего из алитированной части и цепочки кристаллов боридов железа, располагающихся на границе слой-основа. При содержании Al меньше 8 % формируются слои игольчатого строения, состоящие из боридов железа FeB и Fe₂B.

2. Показано, что технологические параметры (температура, количество циклов, состав обмазки) влияют на толщину, структуру, микротвердость, содержание алюминия и фазовый состав бороалитированных слоев. При повышении температуры до 1100 С толщина бороалитированного слоя увеличивается до 580 мкм. Высокая жаростойкость достигается при термоциклическом бороалитировании, а высокая износостойкость бороалитированных слоев повышением температуры.

3. Разработаны режимы термоциклического бороалитирования. Установлено влияние количества циклов на содержание алюминия в слое, с учетом скорости нагрева и охлаждения (V_нагр.= 0,4 С/с, V_охл.= 1,6 С/с). Термоциклическое бороали-тирование позволяет повысить жаростойкость сталей 20 и У12 в 1,5...2 раза по сравнению с изотермическим способом.

4. Установлено, что повышение температуры до 1100 С позволяет получить слои с боридами железа FeB и Fe₂B, которые равномерно располагаются в вязкой алюминидной составляющей. Структура такого слоя соответствует принципу Шар-пи и обеспечивает высокие износостойкие свойства диффузионного слоя.

Теоретическая и практическая значимость работы

5. В результате термодинамического анализа насыщающей смеси содержащей B₄C, Al, NaF, установлены основные химические реакции, протекающие при бороа-литировании. Термодинамические расчеты позволили установить возможность получения бороалитированных слоев при температурах процесса 950...1100 С. При температурах процесса на поверхности обмазки образуется пленка борного ангидрида, которая позволяет защитить насыщающую обмазку от окисления.

6. При проведении экспериментальных исследований установлено, что при бо-роалитировании из обмазок содержащих различное соотношение насыщающих компонентов в составе обмазки, на поверхности сталей возможно получение трех

5 структурных типов диффузионных слоев с различной толщиной, микротвердостью, химическим и фазовым составом.

3. На основании результатов проведенных исследований предложены режимы термоциклического бороалитирования в обмазках, позволяющие получать на поверхностях сталей 20 и У12 диффузионные слои с жаростойкостью в 1,5...2 раза превышающих жаростойкость образцов обработанных изотермическим способом.

4. Разработанную технологию бороалитирования в обмазках использовали для упрочнения рабочей поверхности штамповой оснастки (пуансон, нож-матрица) из стали 5ХНМ. Промышленные испытания проводили на ОАО «Улан-Удэнский ло-комотивовагоноремонтный завод». Испытания показали, что стойкость штамповой оснастки после бороалитирования увеличилась в 1,3...1,5 раза.

5. Результаты, полученные при выполнении диссертационной работы, используются в учебных курсах «Материаловедение» и «Химико-термическая обработка материалов».

Личный вклад автора заключался в постановке и формулировании задач диссертационной работы, подготовке материалов и проведении процессов бороалитирования, подготовке образцов и проведении металлографического и рентгеноспектрального анализов, дюрометрических измерений и механических испытаний, анализе и обобщении полученных экспериментальных данных, сравнение результатов исследований с литературными данными российских и зарубежных ученых, формулировании выводов по полученным экспериментальных данных.

Положения, выносимые на защиту:

1. Количественный и качественный составы насыщающих обмазок для бороалитирования, позволяющие получать на поверхности сталей диффузионные слои с различным соотношением фазовых составляющих в слое.

2. Совокупность экспериментальных данных, показывающих возможность формирования бороалитированных слоев II и III типа в процессе изотермического и термоциклического бороалитирования.

3. Технология термоциклического бороалитирования, позволяющая повысить
жаростойкость сталей 20 и У12 в 1,5…2 раза по сравнению с изотермическим спо
собом.

4. Интервал температур, при которых образуются слои, отвечающие принципу
Шарпи с высокой износостойкостью.

Методы исследования

Исследования полученных бороалитированных слоев были выполнены на современном оборудовании в лабораториях кафедры «Металловедение и технологии обработки материалов», Центра коллективного пользования «Прогресс» Восточно-Сибирского государственного университета технологий и управления и Института материаловедения Технического университета г. Дрезден (Германия). Исследование микроструктуры бороалитированных слоев проводили на металлографических микроскопах «Leitz Metallux-З» и «Метам ЛВ-34» с цифровой камерой и программным обеспечением, и на растровом электронном микроскопе «JEOL JSM-6510 LV». Элементный состав слоев определяли с помощью микрорентгеноспектрального анализатора «INCA Energy 350 Oxford». Фазовый состав определяли на рентгеновском дифрактометре D8 Advance с линейным детектором Vantec-І фирмы Bruker AXS (Си^а-излучение) в Лаборатории оксидных систем Байкальского института приро-

6 допользования СО РАН. Измерение микротвердости проводили на микротвердомере «ПМТ-3М» при HV₅₀, согласно ГОСТ 9450-76. Жаростойкость образцов с бороали-тированными слоями определяли весовым методом по увеличению весы при T=1000 С в течение 50 ч. по ГОСТ 6130-71 «Металлы. Методы определения жаростойкости» в муфельной электропечи СНОЛ 10/11 с цифровым микропроцессорным регулятором температур ТП-403.

Износостойкость определяли на машине трения МИ-1 по схеме «ролик-колодка» при сухом трении скольжения. Изменение весы регистрировали на аналитических весах с точностью до 0,001 г.

Степень достоверности и апробация результатов

Исследования по диссертационной работе проводились с применением современного аналитического оборудования, сопоставлением полученных результатов с литературными данными российских и зарубежных ученых, а также успешной апробацией полученных результатов в промышленных условиях.

Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на ежегодной научно-технической конференции преподавателей и сотрудников ВСГУ-ТУ (Улан-Удэ, 2012-2016 гг.), IX Международной научно-практической конференции «Современные инструментальные системы, информационные технологии и инновации» (Курск, 2012 г.), V и VI Международной конференции «Проблемы механики современных машин» (Улан-Удэ, 2012 г., 2015 г.), XI Всероссийской конференции «Проблемы повышения эффективности металлообработки в промышленности на современном этапе (Новосибирск, 2013 г.), III Международной научно-технической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов «Высокие технологии в современной науке и технике» (Томск, 2014 г.), VII Всероссийской конференции молодых ученых и специалистов «Будущее машиностроения России» (Москва, 2014 г.), Международной конференции с элементами научной школы для молодежи «Материалы и технологии новых поколений в современном материаловедении» (Томск, 2015 г.), III международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы машиностроения» (Новосибирск, 2016 г.), а также на научных семинарах кафедры «Металловедение и технологии обработки материалов» (ВСГУ-ТУ, 2012-2017 гг.) и кафедры «Материаловедение в машиностроении» (НГТУ, 2015 г., 2016 г.).

По теме диссертационной работы опубликовано 14 научных работ: 2 статьи в научных журналах, входящих в перечень изданий рекомендованных ВАК РФ, 5 статей в международных журналах, из них три реферируемые в базах Scopus и Web of Science, 7 статей в сборниках трудов международных и всероссийских научно-технических конференций. Получено 2 патента Российской Федерации на изобретение.

Структура и объем работы

Массоперенос при химико-термической обработке

Процессы ХТО проводят при высоких температурах, при этом детали выдерживаются определенное время в насыщающих химически активных средах. Насыщающие среды могут быть твердыми, жидкими и газообразными [1,2, 20].

Насыщающей среда и металл обрабатываемой детали образуют реакционную систему, в которой происходит массоперенос, т.е. обмен веществом между насыщающей средой и металлом.

Выделяют три основных случая массопереноса [22, 23]:

1) переход вещества из насыщающей среды в поверхность металла (при насыщении металла различными химическими элементами: В, Al, C,Nn др.);

2) переход вещества из металла в насыщающую среду (обезуглероживание, удаление водорода и азота);

3) перенос вещества в обоих направлениях (отжиг железоуглеродистых сплавов в защитных атмосферах).

При проведении процессов ХТО реализуется первый вариант массопереноса.

Поверхность металлов и сплавов подвергают насыщению различными химическими элементами: металлами и неметаллами. Различают однокомпонентное и многокомпонентное насыщение. Многокомпонентное насыщение может быть одновременным или последовательным в различных сочетаниях насыщающих элементов.

1. Одновременное или последовательное насыщение двумя и более элементами позволяет сочетать в диффузионном слое свойства, создаваемые отдельными элементами, с особыми свойствами их соединений. При многокомпонентном диффузионном насыщении поверхностный слой характеризуется качественно новой структурой. Он может обладать более высокими физико-химическими и механическими свойствами по сравнению со слоем, полученным после диффузионного насыщения одним элементом. Например, борохромированный слой на стали благодаря наличию хрома имеет ряд преимуществ перед борированным диффузионным слоем - более высокую твердость, жаро- и коррозионную стойкость, повышенное сопротивление термоудару [15].

В процессе ХТО в реакционной системе протекают определенные процессы и химические реакции. Процесс массопереноса условно можно разделить на несколько последовательных стадий [15, 16, 21]:

I - Реакции в насыщающей среде (образование химических соединений, осуществляющих массоперенос диффундирующего элемента). Характер протекающих в насыщающей среде реакций зависит от ее состава, агрегатного состояния, температуры процесса, давления в реакторе, скорости движения газа и других факторов. В оксидных и солевых расплавах эти реакции, как правило, имеют электрохимическую природу, в порошках чистых элементов без активатора (например, цинкование в порошке цинка) - сводятся к испарению, а в металлических расплавах на основе насыщающего элемента (алитирование в расплавленном алюминии) - вообще отсутствуют. Поэтому эту стадию ХТО целесообразно рассматривать на примерах наиболее общих случаев - насыщение из порошковых смесей с активатором. Стоит отметить, что реакции этой стадии не зависят от условий реализации других стадий и могут относительно и независимо управляться.

II - Диффузия в насыщающей среде (подвод диффундирующего элемента к поверхности обрабатываемой детали). Подвод диффундирующего элемента от реакционной среды к поверхности насыщаемого металла происходит за счет диффузии.

Движущей силой диффузии в реакционной среде является разность парциальных давлений или активностей (химических потенциалов) вещества-переносчика насыщающего элемента в реакционной среде и насыщающей поверхности.

III - Процессы и реакции на границе раздела фаз (на обрабатываемой по верхности). Процессы, протекающие на насыщаемой поверхности (на границе раздела фаз), можно разделить на две группы:

1) Химические реакции, сопровождающиеся образованием насыщающего элемента в атомарном состоянии. Образование насыщающего элемента в атомарном состоянии на насыщаемой поверхности происходит в результате реакций диспропорционирования или обмена.

2) Сорбционные процессы. Процессы адсорбции атомов (радикалов, соединений) насыщающего элемента поверхностью изделия и десорбции продуктов реакций в окружающую среду.

IV - Диффузия в насыщаемом металле (сплаве). Заключается в диффузионном отводе адсорбированных атомов вглубь насыщаемого изделия. Диффундировать могут как атомы «своего» вещества (насыщаемого металла) в собственной кристаллической решетке - самодиффузия, так и атомы растворенных веществ (насыщающие элементы, компоненты сплава, примеси) - гетеродиффузия.

V - Реакции в насыщаемом сплаве (формирование диффузионного слоя и его фазовых составляющих). Диффузионный слой может быть однофазным, так и состоять из нескольких фаз. На практике существует две теории формирования структуры диффузионного слоя при насыщении металлов различными элемента ми: атомная и реакционная [24].

Согласно атомной теории [2 Лахтин Ю.М. Химико-термическая обработка металлов. Ю.М. Лахтин, Б.Н. Арзамасов. М.: Металлургия, 1985. 255 с] при ХТО фазы диффузионного слоя формируются в последовательности, определяемой изотермическим сечением диаграммы состояния металл - насыщающий элемент при температуре ХТО (рисунок 1.3).

Первоначально в результате диффузии насыщающего элемента (н.э.) в насыщающий металл {Me) образуется твердый раствор на его основе (фаза а). При достижении на поверхности содержания насыщающего элемента, равного Сі, возникает новая фаза - соединение у. И, наконец, при достижении содержания насыщающего элемента Сл, начинает кристаллизоваться фаза Д В процессе диффузии насыщающего элемента его содержание в фазе а диффузионного слоя возрастает от 0 до Сі, в фазе /? - от С\ до 100 %. На границе раздела фаз содержание насыщающего элемента скачкообразно изменяется. Дальнейшее увеличение времени выдержки приводит лишь к увеличению толщины зон всех трех фаз и, следовательно, общей толщины диффузионного слоя.Атомную теорию используют для объяснения формирования структуры диффузионного слоя при ХТО.

Реакционная теория формирования диффузионного слоя была предложена В.З. Бугаковым. Согласно этой теории при контакте двух разнородных металлов (или реакционной среды и металла) на границе их раздела в результате гетерогенных флуктуации образуются зародыши новой фазы, например интерметаллического соединения.

Возникающая фаза может занимать промежуточное положение на диаграмме состояния (как например фаза у, см. рисунок 1.3), т.е. не находиться в термодинамическом равновесии ни с насыщающим элементом, ни с насыщающим металлом. По мере утолщения зоны интерметаллида (при увеличении длительности процесса насыщения или при длительном отжиге) образуются и другие фазы и фазовый состав зоны взаимной диффузии (диффузионного слоя) постепенно приходит в соответствие с диаграммой состояния.

Таким образом, «реакционная» теория допускает отсутствие в диффузионном слое одной или нескольких фаз, имеющихся на диаграмме состояния, но она, к сожалению, не дает ответа на вопрос, какая из фаз, присутствующих на диаграмме, должна образоваться первой. Экспериментально установлено, что последовательность возникновения фаз не зависит от теплоты их образования.

Приведенная классификация процесса диффузионного насыщения является далеко не полной и не описывает в полной мере всей сложности явлений, происходящих при ХТО.

Одним из важных условий формирования диффузионного слоя считается растворимость диффундирующего элемента в насыщаемый металл при температуре ХТО. В диффузионных слоях могут образовываться как элементы, имеющие малую растворимость в насыщаемом металле, так и образующие с ним химические соединения.

Анализ диаграмм состояния Fe-Al, Fe-B, Al-B-Fe

Для составления основных химических реакций протекающих при бороали-тировании, необходимо знать какие химические вещества образуются в насыщающей смеси и при диффузии активных атомов бора и алюминия в металл. Учитывая, что в работе для исследования процессов бороалитирования использовались углеродистые стали, а насыщение производилось из смеси, основными компонентами которой являлись карбид бора и алюминий, то целесообразно будет рассматривать системы, содержащие Al, BnFe компоненты.

При помощи диаграмм состояния становится возможной оценка сведений об образующихся в системах сведениях и их кристаллических структурах, типах и температур фазовых превращений, взаимной растворимости компонентов в друг друге и изменении их с температурой [171].

Алюминий является «-стабилизирующим элементом, который хорошо растворяется в a-Fe, образуя широкие области твердых растворов с о.ц.к. структурой. Растворимость Al в y-Fe при 1150 С составляет 1,285 % (ат.); у-фаза полностью исчезает при 1,95 % (ат.) 4/ [171].

Диаграмма состояния Fe-Al приведена на рисунке (рисунок 3.1).

В сплавах системы Fe-Al образуется пять стабильных фаз: Fe Al, є, FeAh, FeiAh и FeAh, которые существуют при температурах 0-552 С, 1092-1215 С, 0-1157 С, 0-1171 С и 0-1157 С соответственно и ограниченных твердых растворов как со стороны Fe, так и А1 [172].

Чистый А1 плавится при 660,46 С; при 652 С и 99,1 % (ат.) А1 кристаллизуется эвтектика FeAl + а-Al. При эвтектической температуре в алюминии растворяется 0,03 % (ат.) Fe.

По данным [171] в системе Fe-B образуются два соединения FeB и FeiB. Более подробно диаграмма состояния описана в [29]. Подробный анализ литературных источников, проанализированных авторами, позволил установить в системе Fe-B фазы Fe B, Fe2B, FeB и FeB2. Фаза Fe B существует в пределах температур 1150-1250 С. Диаграмма состояния Fe-B, учитывающая борид Fe B и FeBi приведена на рисунке 3.2 [29].

Помимо вышеперечисленных боридов и алюминидов железа в сплавах Fe-Al и Fe-B в системе Al-B-Fe (рисунок 3.3) образуется тройное соединение FeiAlBi (ф-фаза) [172, 173]. Однако другие исследования показывают, что эта фаза может быть представлена как РегАІВг [174].

Так же в сплавах А1-В образуются соединения АІВг и AlBn [172]. Соединение АІВг образуется по перетектической реакции Ж + AlBn = АІВг. Для соединения AlBn указывалось три модификации: а и у, наличие которых не соответствует приведенной диаграмме в [173].

Так, некоторые из ранее найденных модификаций боридов А1 оказались тройными фазами, образование которых могло быть вызвано посторонними примесями. Например, образование соединения AlBw вызвано примесями углерода, а PAlBu с ромбической структурой в действительности оказался карбидом АІ В Сг Анализ диаграмм состояния показал, что бороалитированные слои могут иметь сложный фазовый состав, состоящий из алюминидов и боридов железа.

В зависимости от количественного состава насыщающих компонентов на поверхности сталей получают различные по структурному типу бороалитированные слои (рисунок 3.4 а-в) [36]:

1. Типично игольчатого строения (рисунок 3.4 а), которые образуются при насыщении в смесях с небольшим содержанием алюминия или другого алюминийсодержащего вещества. Алюминий в этом случае не образует самостоятельных фаз с железом, а растворяется в небольшом количестве в боридах железа или дефектных участках слоя, например, по стыкам боридных игл.

По некоторым данным при борировании с другими элементами (А1, Си, Сг, Ті, Si и др.) повышается коррозионная стойкость и износостойкость, однако, полученные результаты повышения стойкости не так велики, чтобы эти процессы нашли широкое распространение [99].

2. Конгломератного строения (рисунок 3.4 б), состоящие из боридных и алюминидных фаз. Бориды неправильной округлой формы беспорядочно располагаются в слое. В зависимости от мощности диффузионного источника алюминия основу его составляет а-фаза или последовательно сменяющие друг друга алюминиды железа (чаще всего Fe2Ah), сверх-структуры (FeAl, Fe?Al) и а твердый раствор, легированный бором.

Слои такого типа обеспечивают высокую твердость отдельных элементов контактирующего микрорельефа [29]. Такая структура отвечает принципу (правилу) Шарпи [100] и обеспечивает высокие антифрикционные и износостойкие свойства сплава, а так же его прочность и вязкость.

3. С преимуществом алюминидных составляющих (рисунок 3.4 в): а фазы, сверхструктур и а-фазы или алюминидов железа (чаще всего FeiAls) вместе со сверхструктурами и а-фазой. Боридная зона, представляющая в этом случае небольшую часть слоя, располагается преимущественно на границе диффузионного слоя с основным металлом.

Формирование боридной цепочки кристаллов на границе слой-основа при этом типе слоев препятствует «рассасыванию» бороалитированного слоя в процессе высокотемпературной выдержки [101].

Анализ приведенных диаграмм состояния Fe-Al, Fe-B, Fe-Al-B позволяет обосновать и быстро определить оптимальный фазовый состав бороалитированных слоев для правильного подбора количественного соотношения насыщающих компонентов при совместном насыщении сталей бором и алюминием. Это позволяет сделать выбор для разработки промышленных металлических материалов, технологии их производства и практического использования.

Отработка режимов термоциклического бороалитирования в обмазках

Совмещение термоциклической обработки с ХТО (ХТЦО) позволяет получить более высокую концентрацию элементов в диффузионных слоях за счет фазовых превращений, которые протекают при периодически повторяющихся циклах с нагревом и последующим охлаждением.

В результате изотермического и термоциклического бороалитирования на поверхности стали 20 были получены диффузионные слои конглоломератного типа (II тип), состоящие из боридных и алюминидных фаз (рисунок 4.6 а-г).

Микроструктура основного металла различается по величине зерна в зависимости от режимов бороалитирования. Балл зерна после изотермического бороалитирования соответствует номеру 3, а после термоциклического по всем режимам номерам 6 и 7 согласно ГОСТ 5639-82 [176].

Микротвердость по глубине слоя после изотермической и термоциклической обработок по режиму с 4 циклами составляет 4500-5000 МПа. После обработки по режимам с 8 и 16 циклами микротвердость увеличивается до 8000-8500 МПа (рисунок 4.7). Микротвердость игольчатых кристаллов расположенных в основном слое, составляет 25000-27000 МПа. По мере удаления от поверхности микротвердость снижается, что связано с уменьшением содержания алюминия в слое.

Наибольшая толщина слоя достигается при изотермической обработке и составляет ПО мкм. После термоциклического бороалитирования по режимам: с 4 циклами - 100 мкм, с 8 циклами - 80 мкм и с 16 циклами - 55 мкм.

Уменьшение глубины слоя связано с уменьшением суммарного времени выдержки при высокой температуре.

При бороалитировании стали У12 на поверхности формируется структура диффузионного слоя, состоящая преимущественно из агитированной части (рисунок 4.8 а-г).

При изотермической выдержке бор образует соединения карбоборидов в виде разнонаправленных зубчатых кристаллов располагающихся в переходной части слоя. После обработки по режиму с 4 циклами, карбобориды имеют форму «мозаичной» структуры. Увеличением количества циклов приводит к образованию карбоборидов в виде округлых кристаллов.

После обработки стали У12 по изотермическому режиму максимальная микротвердость составляет 10000-13000 МПа по всей глубине слоя, а после режима с 4 циклами микротвердость на поверхности слоя составила 17000 МПа, далее микротвердость резко падает до 5000-6500 МПа. После обработки по режимам с 8 и 16 циклами микротвердость составляет 9000-10000 МПа, (рисунок 4.9). Неравномерное распределение микротвердости связано с послойным формированием бороалитированного слоя.

Наибольшая толщина слоя достигается при изотермической обработке и составляет 60 мкм. После термоциклического бороалитирования по режимам: с 4 циклами - 55 мкм, с 8 циклами - 45 мкм и с 16 циклами - 35 мкм.

Формирование бороалитированных слоев происходит по следующему механизму [127]. В связи с тем, что атомный радиус бора (RB = 0,08 нм) меньше, чем атомный радиус алюминия (RAI = 0,143 нм), вначале идет образование боридной зоны слоя. Формирование бороалитированного слоя на низкоуглеродистых сталях начинается с образования твердого раствора бора в железе, затем при превышении предела растворимости бора появляются кристаллы фазы FeiB, из которых впоследствии формируется сплошной слой в виде "цепочки" кристаллов. На высокоуглеродистых сталях помимо твердого раствора и борида FeiB образуется фаза Fe (B,C). В результате вытеснения углерода диффундирующими элементами с поверхности и самодиффузии железа образуется зона с повышенным содержанием углерода, который находится в виде фазы Fe C. Впоследствии часть атомов углерода в решетке цементита замещается бором.

Рентгеноспектральний микроанализ бороалитированных слоев на стали 20 позволил установить, что термоциклическое бороалитирование по режимам с 8 и 16 циклами приводит к формированию слоев с более высоким содержанием алюминия: 50,89 % - спектр 4 (рисунок 4.12, таблица 4.5) и 53,5 % - спектр 4 (рисунок 4.13, таблица 4.6) по сравнению с изотермическим и термоциклическим боро-алитированием с 4 циклами: 32,62 % - спектр 4 (рисунок 4.10, таблица 4.3,) и 40,13 % - спектр 4 (рисунок 4.11, таблица 4.4). По мере удаления от поверхности диффузионного слоя к сердцевине концентрация алюминия снижается после обработки по всем режимам.

Вблизи с границей основы также наблюдается более высокое содержание алюминия после обработок с 8 и 16 циклами: 20,67 % - спектр 6 (рисунок 4.1, таблица 4.5) и 18,28 % - спектр 6 (рисунок 4.13, таблица 4.6) по сравнению с изотермическим и термоциклическим бороалитированием с 4 циклами: 11,03 % -спектр 6 (рисунок 4.10, таблица 4.3,) и 9,93 % - спектр 6 (рисунок 4.11, таблица 4.4). Это свидетельствует о том, что интенсивное термоциклирование с малыми выдержками при высокой температуре уже на начальных стадиях процесса позволяет получить большую концентрацию алюминия в диффузионном слое.

Похожая ситуация складывается и после бороалитирования стали У12. Большее содержание алюминия также наблюдается после обработки по режимам с 8 и 16 циклами: 26,72 % - спектр 1 (рисунок 4.16, таблица 4.9) и 30,02 % -спектр 1 (рисунок 4.17, таблица 4.10). После обработки по изотермическому и термоциклическому режиму с 4 циклами: 7,63 % - спектр 4 (рисунок 4.14, таблица 4.7) и 9,29 % - спектр 2 (рисунок 4.15, таблица 4.8).

Бориды в бороалитированных слоях на стали 20 и У12 различаются по строению. На стали 20 они формируются в виде отдельных кристаллов игольчатой формы направленных перпендикулярно к основе основного металла (рисунок 4.6 а-г), а на стали У12 в виде мозаичной структуры (рисунок 4.9 а, б) или округлых кристаллов (рисунок 4.9 в, г).

Содержание бора в кристаллах выше после обработок по изотермическому и термоциклическому режиму с 4 циклами по сравнению с термоциклическим бо-роалитированием по режимам с 8 и 16 циклами.

На стали 20 максимальное содержание бора в кристаллах составляет: 17,68 % - изотермический режим (рисунок 4.10, таблица 4.3, спектр 1); 14,51 % - термоциклический режим с 4 циклами (рисунок 4.11, таблица 4.4, спектр 2); 4,8 % -термоциклический режим с 8 циклами (рисунок 4.12, таблица 4.5, спектр 1); 10,38 % - термоциклический режим с 16 циклами (рисунок 4.13, таблица 4.6, спектр 2).

После бороалитирования стали У12 максимальное содержание бора в кристаллах составляет: 7,7 % - изотермический режим (рисунок 4.14, таблица 4.7, спектр 1); 6,53 % - термоциклический режим с 4 циклами (рисунок 4.15, таблица 4.8, спектр 1); 2,35 % - термоциклический режим с 8 циклами (рисунок 4.16, таблица 4.9, спектр 1); 1,89 % - термоциклический режим с 16 циклами (рисунок 4.17, таблица 4.10, спектр 3).

Меньшее содержание бора в кристаллах на стали У12 очевидно связано с образованием в ней фазы борного цементита FeT,(B,C) за счет наличия высокого содержания углерода в стали ( 1,2 %), а на стали 20 борида железа FeiB.

Испытания на износостойкость

С целью повышения износостойкости, бороалитирование проводили при 1100 С Повышение температуры позволило сформировать диффузионный слой с ярко выраженной гетерогенной структурой. Структура такого слоя состоит из кристаллов боридов железа, которые располагаются в вязкой алитирующей матрице. Слои такого типа обладают высокой износостойкостью.

Для исследования использовали сталь 5ХНМ. Данная сталь часто применяется для изготовления штампового инструмента, основным видом разрушения которого является износ рабочих (формообразующих) частей.

В результате бороалитирования составом № 4 при Т=1100Си четырехчасовой выдержки был получен слой, состоящий из нескольких зон (рисунок 5.2). Зоны различаются по цветам травления и форме кристаллов располагающихся в слое.

Рентгеноспектральный микроанализ показал, что в слое содержится алюминий в пределах от 3,6 до 5,2 % (таблица 5.3). Помимо алюминия, анализ показал в диффузионном слое наличие хрома, марганца и никеля, содержащихся в насыщаемой стали в качестве легирующих элементов.

В основном слое располагаются кристаллы вытянутой формы (зона 1, 2), которые направлены перпендикулярно к основе насыщаемого металла.

В зоне 3 кристаллы находятся в виде сложной мозаичной структуры. Формирование такого вида кристаллов округлой формы, вероятно связано с образованием в структуре борного цементита Fei(B,C). Борный цементит формируется преимущественно в переходной зоне диффузионного слоя при насыщении высокоуглеродистых сталей бором и бором совместно с другими элементами (Си, А1 и др) В связи, с определенными ограничениями энергодисперсионного анализа, установление бора в слое было затруднено. Тем не менее, наличие фаз FeB и Fe B было установлено при помощи рентгенофазового анализа (рисунок 5.3).Испытания, проведенные на износ при сухом трении - скольжении, показали значительное повышение износостойкости бороалитированной стали 5ХНМ, по сравнению с образцами из той же стали, которые подвергали закалке и высокому отпуску (рисунок 5.4). Твердость образов подвергнутых термической обработке составляла 54 HRC.Режим термической обработки выбирался согласно техническому заданию на комплект штамповой оснастки, для которого применили разработанную технологию бороалитирования с целью увеличения его эксплуатационных свойств, в частности износостойкости.