Металлургия и материаловедение 8 Наука техника, № 5, 2012и Science & Technique УДК 621.785.5 БОРИРОВАНИЕ УГЛЕРОДИСТЫХ И ЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ В КИПЯЩЕМ СЛОЕ Канд. техн. наук КУХАРЕВА Н. Г.1), инж. ПЕТРОВИЧ С. Н.1), кандидаты техн. наук ГАЛЫНСКАЯ Н. А.1), ПРОТАСЕВИЧ В. Ф.1), магистрант СМИРНОВА Т. Н.2) 1)Белорусский национальный технический университет, 2)ИПНК НАН Беларуси Ряд деталей, определяющих ресурс работы машин, механизмов и инструментальной оснаст- ки, работает в условиях интенсивного изнашива- ния. Применение защитных покрытий, в частно- сти боридных, полученных химико-термической обработкой из порошковых смесей при традици- онном печном нагреве, позволяет повысить на- дежность и долговечность этих изделий. Научно-исследовательская лаборатория уп- рочнения стальных изделий БНТУ разработала и успешно внедряет на белорусских предпри- ятиях металлотермические порошковые среды для процесса борирования. Эти смеси отлича- ются от других порошковых сред низкой энер- гоемкостью получения, большой кратностью использования (от 4 до 20 раз), высокой скоро- стью формирования зоны упрочнения, возмож- ностью получать покрытия с регулируемыми фазовым и химическим составами. Однако дли- тельность процесса, которая составляет 8–10 ч, является основным недостатком этих смесей. В ряде работ [1–4] показано, что примене- ние кипящего слоя при борировании из порош- ков сокращает продолжительность процесса от 2 до 20 раз, снижает энергозатраты на 1 т изде- лий от 2 до 12 раз и уменьшает расход порошка в 10 раз. Цель настоящей работы – исследование воз- можности проведения термодиффузионного бо- рирования из металлотермических порошковых сред в кипящем слое, изучение строения, фазо- вого и химического составов и свойств полу- ченных боридных покрытий. Термодиффузионную обработку в кипящем слое осуществляли в модернизированной печи FP 700, схема которой представлена на рис. 1. Псевдоожижение химически активной засыпки, в качестве которой использовали порошковую металлотермическую среду для двухфазного борирования, достигалось аэродинамическим способом и (или) посредством механической вибрации. Насыщающую среду получали мето- дом внепечной металлотермии из оксидов алюминия, бора, циркония, хрома, меди и по- рошка алюминия [5]. Исследования проводили на образцах из сталей 20, 4Х5МФС и Х12МФ. Рис. 1. Схема установки с печью типа FP 700 (с кипящим слоем): 1 – корпус печи с нагревательными элементами; 2 – нагревательная камера; 3 – реторта (флюидизатор); 4 – опора реторты с пружинами; 5 – засыпка исследуемой порошковой среды; 6 – газораспределительная решетка и подводящие трубки; 7 – ротаметры (регуляторы потока газов защитных и для псевдоожижения); 8 – электровибратор для псевдоожиже- ния механической вибрацией; 9 – крышка флюидизатора; 10 – регулятор температуры засыпки порошковой среды; 11 – термопары, контролирующие нагрев печи; 12 – вытяжная вентиляция Металлографические исследования проводи- ли при использовании оптического микроскопа Olympus 1X70 и электронного микроскопа Hi- tachi S-3500N, оборудованного энергодиспер- сионным рентгеновским спектрометром EDS Защит- ный газ Газ для псевдо- ожижения 7 6 12 9 10 8 4 3 5 11 2 1 Металлургия и материаловедение 9Наука Science & Technique техника, № 5, 2012 и фирмы Thermo Noran. EDS-анализ использовали для определения химического состава поверх- ности диффузионных слоев, полученных на образцах, с помощью характеристического рент- геновского излучения атомов. Для металлогра- фических исследований использовали также микроскоп Axiovert 200 MAT фирмы Carl Zeiss. Микроструктуры записывали в цифровом виде с использованием фотокамеры AxioCam MRc5. Анализ микроструктуры и измерение тол- щины полученных диффузионных слоев вы- полняли на металлографическом микроскопе на поперечных шлифах. Вырезанные образцы за- ливали акриловой смолой (Duracryl Plus), а за- тем шлифовали на шлифовальной бумаге с уменьшением размера зерна. Шлифованные поверхности полировали с использованием ал- мазной пасты. Приготовленные шлифы подвер- гали химическому травлению 3%-м раствором HNO3 в C2H5OH. Дифракционные картины снимали на двух дифрактометрах: D8Advance и Simens D500 при использовании медного и кобальтового ха- рактеристического излучения с монохромати- зацией Kα1. Для фокусировки лучей в рентге- новском гониометре использовали методы Брэгг– Брентано и малоуглового рассеяния рентгенов- ских лучей при скользящих углах падения луча с постоянным углом падения  = 5° или  = 3°. Поверхностную твердость и распределение твердости в диффузионном слое определяли методом Vickers при нагрузках массой 100 и 200 г. При исследовании износостойкости исполь- зовали трехвалковый метод, согласно польско- му нормативу PN-83/H-04302, на установке I-47-K-54. На рис. 2 показан вид машины и об- разцов. Испытания проводили в условиях тре- ния – скольжения при нагрузках 50, 100, 200 и 400 МПа. В качестве смазки использовали масло LUX-10, скорость подачи которого со- ставляла 30 капель в минуту. На основании полученных результатов были построены гра- фики Лоренца. На первом этапе исследований для осущест- вления процесса борирования порошковую смесь в количестве ~100 см3 (высота слоя ~10 см), помещенную в реторту диаметром 3,7 см, нагревали в печи до температуры обра- ботки 950 °C при включенной вибрации. После прогрева смеси образцы закладывали в реторту и выдерживали 6 ч. Затем вынимали реторту с образцами из печи, а после снижения темпера- туры до 300 °C извлекали образцы из порошка на воздух. Микроструктуры диффузионных бориро- ванных слоев, полученных в кипящем слое, представлены на рис. 3. На исследуемых сталях образуются диффузионные слои, не имеющие характерного игольчатого строения и двухфаз- ной структуры, как при борировании из этих же смесей при традиционном печном нагреве в контейнерах с плавким затвором. Так, при температуре борирования 950 C в течение 6 ч на образцах, обработанных при традиционном печном нагреве в контейнерах с плавким затвором из порошковой среды для двухфазного борирования, формируются двух- фазные слои [6]. На стали 20 образуется слой толщиной 400 мкм с микротвердостью по глу- бине слоя от 1290 до 2010 HV0,1 (рис. 4), на стали 4Х5МФС – 140 мкм с микротвердостью от 1780 до 2290 HV0,1 и на стали Х12МФ – 90 мкм с микротвердостью 1890 HV0,1. а б Рис. 2. Общий вид установки и образцы, используемые при испытании износостойкости трехвалковым методом: а – установка I-47-K-54; б – комплект образцов для исследований Металлургия и материаловедение 10 Наука техника, № 5, 2012и Science & Technique а б в Проведенный ЕDS-анализ образцов, бори- рованных в кипящем слое, показал наличие в поверхностных слоях на стали 20 сложного ок- сида алюминия Al5(BO3)O6, что свидетельству- ет об окислении поверхности в процессе насы- щения, а на сталях 4Х5МФС и Х12МФ – бори- да Fe2B. Рис. 4. Микроструктура диффузионного слоя, полученного при традиционном печном нагреве, 300 Поверхностная твердость борированных в кипящем слое сталей составила: 1500 HV0,1 – на стали 20, 1400 HV0,1 – на стали 4Х5МФC и 1260 HV0,1 – на стали Х12МФ. Содержание бора в поверхностном слое на стали 20, по дан- ным EDS-анализа, не превышало 4,79 мас. %, а на легированных сталях 4Х5МФC и Х12МФ – 7,10 и 7,55 мас. % соответственно. Такое со- держание бора в поверхностных слоях свиде- тельствует о недостаточной мощности диффу- зионного источника. Проведенные исследования показали, что структура и фазовый состав боридных слоев, полученных на исследуемых сталях в кипящем слое из порошковой среды для двухфазного борирования, отличаются от структуры и фазо- вого состава слоев, формирующихся при тра- диционном печном нагреве в контейнерах с плавким затвором. Эти слои имеют понижен- ную микротвердость, что объясняется фазовым составом и структурой полученного бориро- ванного слоя. Особенности фазового состава и структуры слоя связаны, с одной стороны, с большой скоростью диффузии бора в глубь стали благодаря быстрому нагреву до весьма вы- соких температур, а с другой – с меньшей ак- тивностью применяющейся насыщающей бор- содержащей среды из-за отсутствия плавкого затвора. В результате этого в поверхностных слоях стали не успевает создаваться концен- трация бора, необходимая для образования зо- ны боридов, как при печном нагреве под плав- ким затвором. Получить боридные слои традиционных со- става и свойств на исследуемых сталях в кипя- щем слое возможно изменением либо состава металлотермической борирующей порошковой среды, либо схемы обработки в кипящем слое, в том числе и способа флюидизации. Рис. 3. Микроструктуры борированных слоев, полученных в кипящем слое: а – сталь 20; б – сталь 4Х5МФС; в – сталь Х12МФ Металлургия и материаловедение 11Наука Science & Technique техника, № 5, 2012 и В настоящем исследовании была предпри- нята попытка получить на исследуемых сталях из металлотермической порошковой среды в кипящем слое традиционные боридные слои путем изменения схемы обработки. При этом процесс насыщения осуществляли в реторте диаметром 10 см, количество порошковой сме- си составляло ~1200 см3 (высота слоя ~15 см). По первой схеме процесс осуществляли сле- дующим образом: включали механическую виб- рацию, после нагрева до температуры обработки загружали образцы, выдерживали при темпера- туре 950 ºС в течение 6 ч, поднимали образцы над слоем внутри реторты без подачи защитного газа и после одночасовой выдержки доставали образ- цы из реторты на воздух. Во втором варианте флюидизация порошко- вой среды достигалась продувкой азота. Тем- пература борирования составляла также 950 ºС, время – 6 ч. Охлаждение образцов в кипящем слое с флюидизацией азотом в течение ~2,5 ч проводили до температуры ~720 °С, затем вы- ключали азот и охлаждали с печью ~13 ч до температуры ~340 °С, после чего извлекали образцы из реторты. В третьем варианте вначале включали меха- ническую вибрацию, сразу загружали образцы и нагревали в кипящем слое до 950 ºС, затем включали флюидизацию эндогазом, после вы- держки в течение 6 ч образцы извлекали из ки- пящего слоя вверх при сохранении защитной эндотермической атмосферы в течение 1 ч, после чего образцы вынимали из реторты на воздух. Для дальнейших исследований была выбрана третья схема обработки, что обусловлено боль- шей толщиной диффузионного слоя, формирую- щегося в этих условиях на исследуемых сталях. Температура химико-термической обработки со- ставляла 950 ºС, время выдержки – 8 ч. Проведение борирования исследуемых ста- лей 20, 4Х5МФС и Х12МФ в кипящем слое при вышеуказанных условиях не позволило полу- чить характерную игольчатую структуру. Твер- дость боридного слоя также ниже, чем при тра- диционной обработке в контейнере с плавким затвором (рис. 5–7), что связано с уменьшением мощности диффузионного источника за счет снижения давления в контейнере при отсутст- вии плавкого затвора и соответственно измене- нием состава парогазовой фазы. На рис. 8, 9 представлены результаты испы- таний износостойкости стали 20 после бориро- вания двумя способами – в кипящем слое и в контейнере с плавким затвором. При неболь- ших нагрузках, равных 50 и 100 МПа, легиро- вание поверхностных слоев стали 20 бором до 4,79 мас. % приводит к повышению ее износо- стойкости в два раза по сравнению с износостой- костью боридных слоев, полученных традици- онным методом. При нагрузке 400 МПа после 60 мин испытаний для стали 20, борированной в кипящем слое, начинается катастрофическое разрушение диффузионного слоя (рис. 8). 0 50 100 150 200 250 300 350 400 0 00 000 00 00 5005 1 15 20 2 Рис. 5. Микротвердость стали 20 при борировании в кипящем слоев 300 500 700 900 0 100 200 300 400 Рис. 6. Микротвердость стали 4Х5МФС при борировании в кипящем слое 200 400 600 800 1000 0 200 400 600 800 Рис. 7. Микротвердость стали Х12МФ при борировании в кипящем слое Рис. 8. Износостойкость стали 20, борированной в кипящем слое, при нагрузках, МПа: 1 – 50; 2 – 100; 3 – 200; 4 – 400 400 350 300 250 200 150 100 50Ми кро тве рд ост ь H V 0, 1 00 00 00 00Ми кро тве рд ост ь H V 0, 1 1000 800 0 0 200 Ми кро тве рд ост ь H V 0, 1 0 200 400 600 800 Расстояние от поверхности, мкм 0 100 200 300 400 Расстояние от поверхности, мкм 0 500 1000 1500 2000 2500 Расстояние от поверхности, мкм 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 Время испытания, мин 45 40 35 30 25 20 15 10 5 Ср едн ее зна чен ие изн оса , м км 4 3 2 1 z Металлургия и материаловедение 12 Наука техника, № 5, 2012и Science & Technique Рис. 9. Износостойкость стали 20, борированной при традиционном печном нагреве, при нагрузках, МПа: 1 – 50; 2 – 100; 3 – 200; 4 – 400 Борированное покрытие, полученное в кипя- щем слое, хотя и имеет пониженную микротвер- дость, отличается хорошей вязкостью. Эти слои имеют преимущество при испытаниях на износо- стойкость в условиях трения – скольжения при небольших нагрузках (50 и 100 МПа). Тогда как двухфазные боридные слои в силу своего строе- ния – игольчатость, наличие границы раздела между боридами FeB и FeB2 – имеют повышен-ную хрупкость и скорость разрушения их выше, чем у покрытий, полученных в кипящем слое. Легирование поверхностных слоев сложно- легированных сталей 4Х5МФС и Х12МФ бо- ром в количестве 7,10 и 7,55 мас. % соответст- венно привело к увеличению их износостойкости в условиях трения – скольжения со смазкой при всех применяемых нагрузках по сравнению с износостойкостью стали 20, борированной при традиционном печном нагреве (рис. 10, 11). На сталях 4Х5МФС и Х12М отсутствует катаст- рофическое разрушение диффузионного слоя при большой нагрузке – 400 МПа. Рис. 10. Износостойкость стали 4Х5МФС, борированной в кипящем слое, при нагрузках, МПа: 1 – 50; 2 – 100; 3 – 200; 4 – 400 Рис. 11. Износостойкость стали Х12МФ, борированной в кипящем слое, при нагрузках, МПа: 1 – 50; 2 – 100; 3 – 200; 4 – 400 В Ы В О Д Ы 30 25 20 15 10 5 0 Ср едн ее зна чен ие изн оса , м км 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Время испытания, мин 4 3 2 1 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 Время испытания, мин Время испытания, мин 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 12 10 8 6 4 2 Ср едн ее зна чен ие изн оса , м км 4 3 2 1 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 Ср едн ее зна чен ие изн оса , м км 4 3 2 1 1. Получены боридные покрытия на ста- лях 20, 4Х5МФС и Х12М, обработанных в ки- пящем слое с использованием в качестве актив- ной засыпки металлотермической порошковой среды для двухфазного борирования. На иссле- дуемых сталях образуются слои, не имеющие характерного игольчатого строения и двухфаз- ной структуры, как при традиционном борирова- нии в печи в контейнерах с плавким затвором. 2. Изменение схемы обработки в кипящем слое и способа флюидизации при использова- нии в качестве активной засыпки металлотер- мической порошковой среды для двухфазного борирования не привело к получению на иссле- дуемых сталях диффузионных боридных слоев традиционных структуры и свойств. Вероятно, это станет возможным при использовании по- рошковой борирующей среды с увеличенным количеством активного бора. 3. Изучены фазовый и химический составы, структура диффузионных боридных слоев. В по- верхностном слое на стали 20 обнаружен слож- ный оксид алюминия Al5(BO3)O6, а на сталях 4Х5МФС и Х12М – борид Fe2B. 4. Результаты испытаний износостойкости в условиях трения – скольжения сталей с по- крытиями, полученными в кипящем слое, пока- зали, что при небольших нагрузках износо- стойкость увеличивается в два раза по срав- нению с износостойкостью стали 20, бориро- ванной при традиционном печном нагреве. Л И Т Е Р А Т У Р А 1. Файншмидт, Е. М. Теория и практика термической обработки в кипящем слое изделий из металлов и спла- вов / Е. М. Файншмидт // Металловедение и термическая обработка металлов. – 2005. – № 3. – С. 4–19. 2. Баландин, Ю. А. Исследование процесса насыще- ния штамповых сталей бором и никелем в виброкипящем слое / Ю. А. Баландин // Известия вузов. Черная металлур- гия. – 2005. – № 9. – С. 32–34. 3. Баландин, Ю. А. Комплексное насыщение поверх- ности инструментальных сталей бором, медью и хромом в псевдоожиженном слое / Ю. А. Баландин // Известия вузов. Черная металлургия. – 2005. – № 7. – С. 50–52. 4. Алиев, А. А. Цементация и нитроцементация ав- тотракторных деталей в кипящем слое / А. А. Алиев, А. Ю. Ампилогов, Ак. А. Алиев // Металловедение и тер- мическая обработка металлов. – 2009. – № 4. – С. 31–33. 5. Исследование порошковых металлотермических сред для борирования / Б. Б. Хина [и др.] // Вестник БНТУ. – 2010. – № 1. – С. 31–34. 6. Особенности формирования боридных покрытий из композиционных металлотермических порошковых сред / Н. А. Галынская [и др.] // Вестник БНТУ. – 2011. – № 4. – С. 15–20. Поступила 02.05.2012