Наряду с указанными высокими (механическими, коррозионными и др.) свойствами, боридные слои имеют и недостатки.
Главным недостатком боридных слоев является их повышенная хрупкость. Повышенная хрупкость и склонность к образованию трещин и сколов объясняется анизотропией теплового расширения боридных фаз (FeB и Fe2B). Абсолютные значения коэффициентов теплового расширения фаз диффузионного слоя, основы и характер их изменения от температуры, влияют на величину и распределение по глубине слоя временных и остаточных напряжений.
Решение проблемы снижения хрупкости боридного слоя может осуществляться разными способами, в числе которых:
- снижение хрупкости боридного слоя за счет его легирования;
- снижение хрупкости за счет формирования диффузионных слоев с максимальным содержанием фазы Fe2B, вплоть до формирования однофазных слоев.
В данной работе приводятся результаты исследований хрупкости слоев на основе боридов тугоплавких металлов (титана, ванадия, хрома и вольфрама). Формирование боридных слоев осуществляли методом синтеза боридов тугоплавких металлов из соответствующих оксидов в вакууме с помощью электронно-лучевого нагрева (электронно-лучевое борирование) [1,2].
Технология электронно-лучевого борирования заключается в следующем. На подготовленную поверхность образцов из углеродистых сталей наносили обмазку, в состав которой входили: оксиды (TiО2,V2O3,Cr2O3,WO3), карбид бора В4С, углерод, а также органическое связующее - раствор (1:10) клея БФ-6 в ацетоне. Образцы обрабатывали в вакууме при давлении Р=2х10-3 Па электронным пучком с удельной мощностью (2÷2,5)×103 Вт/см2 в течение 2÷5 минут (Обработку электронным пучком проводили в Отделе физических проблем БНЦ СО РАН).
Исследования микроструктуры слоев показали, что формирование боридных слоев возможно тремя механизмами: диффузионным, диффузионно-кристаллизационным и из жидкой фазы.
При формировании слоев по диффузионно-кристаллизационному механизму структуру слоя определяет количество жидкой фазы. При относительно малом количестве жидкой фазы в слое (не более 25 %), борированный слой состоит из отдельных дисперсных боридов, распределенных в мягком твердом растворе (псевдоэвтектический слой). При более высоком содержании жидкой фазы борированный слой имеет эвтектическую структуру.
Для оценки хрупкости слоев использовали напряжение скола и предельную деформацию.
Напряжение скола (σск) является интегральной характеристикой хрупкости слоя, самопроизвольно учитывающей физико-механические свойства самих боридов (микротвердость, модуль упругости), фазовый состав, соотношение фаз, их дисперсность и взаимное расположение в слое и на поверхности, напряженное состояние слоя и его пластичность. Определяется оск по следующей формуле:
σск = 0,174Р / (2L2 + CL) ( 1 )
где, Р - нагрузка на индентор при измерении микротвердости; L - минимальное расстояние от центра отпечатка до края образца, при котором не происходит скалывание боридного слоя; С - диагональ отпечатка.
Предельная деформация (εпред) является величиной предельной пластичности материала, учитывающей пластическую деформацию (диагональ отпечатка) и разрушение материала (длина трещины) и определяется по формуле (Скуднов В. А.):
εпред =Dотп / Lтр ( 2 )
где, Dотп - диагональ отпечатка; Lтp - длина трещины между отпечатками.
Результаты приведены в таблице.
Анализ результатов показывает, что слои на основе боридов тугоплавких металлов имеют меньшую хрупкость по сравнению со слоями на основе боридов железа. Напряжение скола и величина предельной пластической деформации боридных слоев (FeB и Fe2B) после твердофазного борирования (борирование в порошковой смеси (97% В4С + 3% KBF4) в контейнере с плавким затвором) составляют 1,13 и 245, соответственно, а после комбинированного борирования (твердофазное борирование с последующей обработкой электронным пучком боридного слоя) составляет 1,38 и 414 [3].
|
№ |
Обработка |
Марка материала |
εпред |
σск, МПа |
Балл хрупкости |
|
1 |
Электронно-лучевое боротитанирование |
Ст3 |
1,24 |
390 |
2 |
|
2 |
Электронно-лучевое борованадирование |
Ст3 |
1,72 |
490 |
2 |
|
3 |
Электронно-лучевое боровольфрамирование |
Ст3 |
1,19 |
340 |
3 |
|
4 |
Электронно-лучевое борохромирование |
Ст3 |
1,51 |
425 |
3 |
Вывод: Формирование в слое боридов тугоплавких металлов (титана, ванадия, хрома и вольфрама) позволяет снизить его хрупкость (σск) и повысить пластичность (εпред).
Литература.
- Сизов И.Г., Смирнягина Н.Н., Семенов А.П. Особенности электронно-лучевого борирования сталей // Металловедение и термическая обработка металлов. -1999. -№12. -С.8-11.
- О синтезе в вакууме боридов тугоплавких металлов / Н.Н. Смирнягина, И.Г. Сизов, Б.А. Прусаков и др. // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана, Машиностроение. -2001. -№2 (43). -С.53-56.
- Сизов И. Г. Мессбауэровская спектроскопия боридного слоя после электроннолучевой обработки // Металловедение и термическая обработка металлов. -2003. -№9. -С.22-25.