Введение
В условиях современного производства к материалам инструмента предъявляются все более жесткие требования в части поверхностной прочности, износостойкости и других эксплуатационных характеристик. Диффузионные покрытия на основе бора зачастую обладают набором требуемых свойств. Данная 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 легированные в различной степени стали: Х12М, 5Х2НМВФЮч [1] и Сталь 45.
Методика эксперимента
Насыщение проводили в порошковой засыпке из оригинальной насыщающей смеси на основе карбида бора, дополнительно содержащей хром и титан [2-4]. Система «Насыщающая среда – Образец» от воздействия печной атмосферы не изолировалась, так как использовалась самозащитная засыпка, которая при температурах насыщения генерирует защитную пленку, предохраняющую от кислорода воздуха [5-7].
Процесс насыщения вели в камерной печи типа СНОЛ, оснащенной ПИД-контроллером «Термодат 16Е-3», позволяющим регулировать температуру с высокой точностью (до 0,1°С на спае термопары). Температуру насыщения выбрали равной 950°С, так как при более высокой температуре, во-первых, происходит значительный угар насыщающей среды, во-вторых, в силу флуктуаций температурного поля по объему печи есть риск повышения температуры до 1100°С, что может привести к оплавлению поверхности образца в результате образования легкоплавкой боридной эвтектики [6]. Меньшие температуры насыщения существенно замедляют процессы диффузии и скорость роста диффузионного слоя. Время насыщения было выбрано равным 150 минутам, так как за это время формируется диффузионный слой оптимальной толщины с наилучшими эксплуатационными свойствами [3, 5].
Измерение размеров производили микрометром Мк-01. После процесса насыщения образцы извлекали из насыщающей среды, промывали в мыльном растворе для удаления остатков насыщающей среды. Измерения размеров проводили не менее 3 раз для каждого параметра, после чего высчитывалось среднее значение, которое принималось. Далее по средним значениям высчитывался объем образца. Из объема рассчитывался усредненный параметр размера, соответствующий стороне куба равного объема. Такая методика оценки размера позволяет в некоторой степени нивелировать изменение размеров образца в результате фазовых превращений и анизотропии свойств по разным направлениям. После процесса насыщения вышеописанные процедуры измерения повторяли.
Толщину слоя определяли по поперечным шлифам с помощью оптического микроскопа Carl Zeiss Axio Observer Z1m. Шлифы готовили с помощью прецизионного отрезного станка MicroCut-201, автоматического пресса Digipress, и автоматического полировального станка DigiPreP. Травление готовых шлифов осуществляли 10% раствором азотной кислоты в изопропиловом спирте, 5% раствором пикриновой кислоты в этиловом спирте и 5% растворе йода в этиловом спирте. Травление в растворах азотной и пикриновой кислоты выявляли общую структуру диффузионного слоя, причем раствор пикриновой кислоты давал более контрастное изображение и, кроме того, позволяет проводить фазовый анализ за счет окрашивания борида Fe2B в темный цвет. Борид железа FeB раствором пикриновой кислоты в этиловом спирте не окрашивается. Йодный раствор в этиловом спирте применялся для идентификации фаз: моноборид железа FeB не окрашивается, гемиборид Fe2B окрашивается в фиолетовый цвет, переходная зона окрашивается в цвета от желтого до коричневого в зависимости от содержания легирующих элементов: чем большее их содержание в стали, тем в более светлые тона окрашивается переходная зона.
Результаты и их обсуждение
Полученные данные по изменению размеров таковы (на слой): прирост размера на образцах из стали 45 - 0,108 мм, на стали 5Х2МНВФЮч - 0,029 мм, на стали Х12М - 0,011 мм при средней толщине диффузионного слоя на стали 45 - 0,188 мм, на стали 5Х2МНВФЮч - 0,114 мм, на стали Х12М - 0,071 мм соответственно.
Измерения показали, что прирост заметно зависит от общего количества легирующих элементов в стали (от степени легированности стали). Прирост тем больше, чем меньше сталь легирована. Наибольший прирост дает простая углеродистая сталь 45, затем идет экономнолегированная сталь 5Х2МНВФЮч, в сумме в ней легирующие элементы составляют не более 3 весовых процентов и, наконец, высоколегированная сталь Х12М.
Прирост размеров образца напрямую связан с размерами образующегося в процессе насыщения диффузионного слоя. Чем больше боридный слой, тем больше и прирост размеров образца. Это хорошо согласуется с ранее полученными результатами показывающими, что увеличение содержания углерода в стали и легирование карбидообразующими элементами приводит к замедлению образования диффузионного слоя при борировании [8].
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект №13-08-98107 ).
Работа выполнена при финансовой поддержке грантов Президента Российской Федерации (Договор 14.Z56.14.656-MK).