ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ ДИФФУЗИОННЫХ СЛОЕВ ПРИ МНОГОКРАТНОМ ИСПОЛЬЗОВАНИИ НАСЫЩАЮЩЕЙ СМЕСИ С СОДЕРЖАНИЕМ БОРА И МЕДИ

RESEARCH OF THE STRUCTURE OF DIFFUSION LAYERS AT REPEATED USE OF THE SATURATING MIXTURE WITH THE CONTENT OF BORON AND COPPER

Stepan Lysykh

graduate student of the East Siberian State University of Technology and Management,

Russia, Ulan-Ude

Yuri Kharaev

doctor tech. sciences, Associate Professor, Dean of ETF, East Siberian State University of Technology and Management,

Russia, Ulan-Ude

Vasily Kornopoltsev

сandidate of Tech. Sci., Researcher, Baikal Institute of Nature Management S B of the RА S,

Russia, Ulan-Ude

АННОТАЦИЯ

Цель статьи состоит в исследовании структуры, толщины и микротвердости диффузионных слоев при многократном использовании насыщающей смеси содержащей бор и медь. Диффузионное насыщение проводилось на образцах из стали У8 в порошковой среде. Определено, что наибольшая толщина диффузионного слоя получается при пятикратном использовании насыщающей смеси. Равномерное распределение микротвердости наблюдается при 3, 4 и 5 режимах насыщения.

ABSTRACT

The purpose of the article is to study the structure, thickness and microhardness of diffusion layers with repeated use of a saturating mixture containing boron and copper. Diffusion saturation was carried out on samples of U8 steel in a powder medium. It was determined that the greatest thickness of the diffusion layer is obtained by five times using a saturating mixture. A uniform distribution of microhardness is observed at 3, 4 and 5 saturation modes.

Ключевые слова: насыщающая смесь, бор, медь, микротвердость, диффузионный слой.

Keywords: saturating mixture, boron, copper, microhardness, diffusion layer.

Введение

Особое место среди процессов химико-термической обработки занимает борирование [1]. Процессу диффузионного насыщения поверх­ности бором подвергаются значительное количество инструментальных и конструкционных сталей и сплавов. Данный процесс позволяет полу­чить на поверхностной зоне изделия боридные слои, которые в свою очередь обладают рядом повышенных физико-механических свойств.

Как известно, [2] борирование проводят в твердых, жидких и газообразных средах. Насыщение в порошкообразных смесях получает большее промышленное применение. Это обусловлено не столько достоинствами данного метода борирования, сколько нерешенными проблемами и технологическими недоработками других методов бори­рования. Экономическая эффективность порошкового борирования определяется кратностью использования смеси и используемым бор­содержащим веществом. Стоимость обработки порошковым методом, как правило, выше, чем жидкостным.

Высокая твердость обуславливает высокую износостойкость борид­ных слоев в разных условиях трения и износа. Главным недостатком боридных слоев является высокая хрупкость и склонность к трещино­образованиям. Для решения данной проблемы предлагается исследовать одновременное насыщение поверхности стали бором и медью.

Насыщение в порошковых смесях подразумевает неоднократное его использование. Согласно ГОСТ 28426-90 п. 3.4, при повторном использовании синтезированной порошковой смеси к ней должен добав­ляться активатор в количестве 1% - 3% массы использованной смеси и от 20% до 50% свежей смеси. Целью данной работы является иссле­дование структуры, толщины и микротвердости диффузионных слоев при многократном использовании насыщающей смеси содержащей бор и медь.

Материалы и методы исследования

Процесс диффузионного насыщения бором и медью проводился в порошковой среде. Подготовленные образцы из стали У8 помещали в контейнер и засыпали насыщающей смесью, состоящей из карбида бора, оксида меди и алюминия. Активатор-натрий фтористый. Алю­миний служил инертной добавкой для предотвращения спекания смеси. Заполненный контейнер герметизировался легкоплавким стеклом. Температура насыщения составляла 950ºС, время выдержки – 4 часа. Далее контейнер охлаждался на воздухе, образцы извлекались, очища­лись от остатков насыщающей смеси, полировались, проводился процесс травления. Отработанная смесь регенерировалась путем добавления 20-30% свежей смеси и процесс повторялся 5 раз. Металлографические исследования проводились на оптическом микроскопе «NEOPHOT-21». Микротвердость измерялась на микротвердомере ПМТ-3. Нагрузка на алмазную пирамидку составила 100 грамм.

Результаты исследования и их обсуждение

Результаты первого режима: В результате комплексного насыще­ния поверхности образцов из стали У8 бором и медью, получен диф­фузионный слой толщиной 100 мкм. (рис.1)

Рисунок 1. Микроструктура диффузионного слоя стали У8 при проведении первого режима насыщения поверхности бором и медью

Известно [3], что в высокоуглеродистых сталях боридный слой имеет игольчатое строение. Отличие от боридного слоя в низкоугле­родистых сталях состоит в том, что боридные иглы укрупнены, а концы их скруглены. Оптические исследования показали, что наличие меди в составе насыщающей смеси не оказало влияние на форму боридных игл. Распределение микротвердости имеет неравномерный характер. Макси­мальное значение 20 ГПа наблюдается на глубине 20-30 мкм., далее на глубине от 30 до 120 мкм., следует резкое снижение микротвердости до 15-10 ГПа (рис.4). Следует предположить, что резкое снижение микро­твердости соответствует перепаду напряжения в межфазном слое.

Результаты повторного использования состава: При повторном использовании насыщающей смеси наблюдается увеличение толщины диффузионного слоя. При проведении второго режима толщина слоя составила 120 мкм. (рис.2а), при третьем -150 мкм. (рис.2б), четвертый режим позволил получить диффузионный слой толщиной 180 мкм. (рис.2в), толщина слоя при пятом режиме составила 200 мкм. (рис.2г).

а)  б)   в)   г) 

Рисунок 2. Микроструктура диффузионного слоя стали У8 при повторном насыщении поверхности бором и медью:

а) второй режим, б) третий режим, в) четвертый режим, г) пятый режим

Если при первых трех режимах диффузионный слой по структуре мало, чем отличается друг от друга, то при четвертом и пятом режиме на поверхности наблюдается срастание боридных игл и образование сплошного слоя. Так же стоит отметить отсутствие округлых концов на боридных иглах. Толщина диффузионного слоя при пятикратном использовании смеси по сравнению с толщиной слоя полученной при использовании исходной смеси. увеличивается в 2 раза (рис.3).

Рисунок 3. Толщина диффузионного слоя в зависимости от режима насыщения

Как отмечается в работе [4], медь не образует термически устой­чивых химических соединений с бором, что приводит к обогащению состава как медью, так и бором. Это, в свою очередь, приводит к увеличению насыщающей способности смеси, что сказывается на росте толщины диффузионного слоя. Распределение микротвердости при повторных использованиях насыщающей смеси представлены на рисунке 4.

Рисунок 4. Распределение микротвердости по толщине диффузионного слоя стали У8 при многократном использовании насыщающей смеси

Микротвердость исходного и второго режимов имеет максимальное значение микротвердости 20 и 18 ГПа, затем наблюдается резкое сниже­ние до 16-15ГПа (рис.4). Режимы с третьего по пятый демонстрируют более сглаженное распределение микротвердости по всей толщине диффузионного слоя.

Выводы:

1. В результате многократного использования насыщающей смеси содержащей бор и медь, на поверхности стали У8 получены диффузион­ные слои толщиной 100-200 мкм.

2. Установлено, что при пятикратном использовании насыщающей смеси, получена наибольшая толщина диффузионного слоя, равная 200 мкм. Предположительно, медь увеличивает насыщающую способ­ность смеси при повторных использованиях, что сказывается на росте толщины диффузионного слоя.
3. Насыщающая смесь обогащенная медью и бором, при режимах 3, 4 и 5 показывает более благоприятное распределение микротвердости без резких скачков и перепадов.

Список литературы:

1. Химико-термическая обработка металлов и сплавов. // Справочник под ред. Ляховича Л.С. М.: Металлургия. 1981. 424 с.
2. Ланчиков Д.А. Сравнителная характеристика методов борирования [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://edu.secna.ru/media/f/metall.pdf (Дата обращения 16.12.19).
3. Б.Н. Банзаракцаева, Д.Э. Дашеев, Н.Н. Смирнягина, А.П. Семенов. Структура и свойства слоев боридов на углеродистой стали после облучении электронным пучком в вакууме// ІІІ Международный крейнделевский семинар "Плазменная эмиссионная электроника" (Улан-Удэ, 23-30 июня 2009 г.). - с. 180-188.
4. Корнопольцев В.Н., Мосоров В.И. Получение комплексных боридных покрытий и исследование насыщающей способности смесей при повторных использованиях // Актуальные проблемы в машиностроении. -Новосибирск.-2004. - № 1. - с. 403 – 411.