Работа посвящена исследованию влияния состава насыщающей смеси и технологических параметров процесса насыщения на микроструктуру и свойства боридных слоев на легированных сталях.
В качестве объектов исследования были выбраны штамповые стали 5ХНМ и 5ХНВМ. Структуру диффузионных покрытий исследовали при помощи оптического микроскопа «AxioObserver Z1m, сканирующего электронного микроскопа JEOL JSM-7000F. Анализ фаз выполнялся на ренгеновском дифрактометре ДРОН-6.
Исследования показывают, что структура покрытий исследуемых сталей формируется преимущественно тремя химическими элементами: железом, бором и углеродом. Железо является основным элементом, бор – основным легирующим элементом на поверхности, углерод присутствует в количестве, введенном в стали.
Равновесие в системе Fe – B в процессе диффузионного насыщения ведет к образованию трех диаграммных и стабильных боридов: FeB, Fe2B и Fe3B. Кроме вышеперечисленных, отмечено присутствие метастабильного борида Fe23B6, обладающего кубической структурой. Отметим, что в отличие от твердых растворов углерода в железе, твердые растворы бора в железе, как в g, так и в a и d, крайне ограничены в силу малой растворимости бора в железе.
Помимо бинарных фаз FeB, Fe2B, Fe3B, Fe3С, в исследованиях наблюдались тройные фазы: Fe3(С,В) и Fe23(С,В)6 и конечно феррит. Карбиды Fe3C и Fe23C6 изоморфны боридам Fe3В и Fe23В6. Поэтому легко образуются тройные фазы соответствующей симметрии, а именно, Fe3(С,В) и Fe23(С,В)6.
Следовало бы ожидать присутствие фаз В-С, а именно, В4С, В13С2, BmCn, а также другие варианты присутствия карбида бора. В настоящем исследовании карбиды бора не обнаружены. Обусловлено это как узкими областями существования карбидов бора, так и небольшим количеством углерода в поверхностных слоях сталей с учетом их обезуглероживания в процессе борирования.
Фазовый состав диагностировался по дифракционным картинам, полученным двумя способами: 1) рентгеновскому дифракционному анализу и 2) дифракционной электронной микроскопии.
Борированный цементит Fe3(C,B), и обычный цементит Fe3C хорошо различаются морфологически. До проникновения бора в кристаллическую решетку цементита он имеет четкую пластинчатую структуру. После проникновения бора и формирования борированного цементита морфология этой фазы меняется – вместо совершенных слоев образуется полуразрушенная структура.
Пластины цементита при борировании фрагментируются и образуют осколки пластин. При борировании объемная доля цементита возрастает. Это обусловлено тем, что внедрившийся в цементит бор вовлекает в него дополнительную долю железа. Наличие борированного цементита во всех исследуемых в работе сталях подтверждается и данными рентгеноструктурного анализа.
По мере удаления от поверхности борирования концентрация атомов бора уменьшается, в то время как плотность дефектов кристаллической решетки возрастает. Это связано с удалением от равновесной структуры по мере удаления от борированной поверхности.
При одновременном комплексном насыщении бором и титаном диффузионный слой претерпевает незначительные изменения – образуется двухслойная структура, верхняя часть которого состоит из столбчатых боридных кристаллов, легированных титаном, а нижняя более темная часть представляет собой смешанные карбобориды железа и титана. Причем в данной зоне присутствует до 22% титана и 0,47% углерода. Такая концентрация титана и углерода, вероятно, являются результатом как встречной диффузии углерода из глубины металла, так и диффузией углерода с поверхности металла в результате вытеснения его бором. На механических свойствах это отражается повышением микротвердости боридного слоя на 17–22% и переходной зоны на 25–35%, что в свою очередь приводит к повышению износостойкости боротитанированных сталей по сравнению с борированными в два раза. В остальном же химический состав и микроструктура переходной зоны практически не отличается от борированной.
Результаты лабораторных испытаний, приближенных к условиям эксплуатации штамповых сталей показали, что относительная износотойкость борированной и боротитанированной штамповой стали 5ХНВМ возрастает в 6,5 и 13 раз, соответственно по сравнению с эталоном, закаленной сталью У8.
Выводы
Установлено, что в подборидной зоне помимо цементита Fe3C образуется борированный цементит, содержащий бор вплоть до соотношения FeC0,2B0,8. Помимо цементита возможно образование специальных карбоборидов вида Fe23(C,B)6, изоморфных карбидам Cr23C6, однако не свойственных карбиду железа.
При одновременном насыщении бором и титаном наибольшая концентрация титана наблюдается не в боридном слое, а в прилегающей к нему переходной зоне, где он образует преимущественно карбиды, но в большей степени – легирует карбиды и карбобориды железа.
При борировании цементита происходит его фрагментация – цементитные пластины разрушаются, происходит их «растворение». В результате чего вытесненный из цементита углерод диффундирует в подборидную зону, при этом общая объемная доля цементита возрастает.
Одновременное насыщение бором и титаном приводит к повышению микротвердости переходной зоны на 25–35%, что приводит к повышению износостойкости боротитанированных сталей по сравнению с борированными в два раза.