Научный журнал
Современные наукоемкие технологии
ISSN 1812-7320
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,899

ОЦЕНКА ХРУПКОСТИ БОРИДНЫХ СЛОЕВ ПОСЛЕ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОГО БОРИРОВАНИЯ

Сизов И.Г.
Одним из эффективных способов поверхностного упрочнения деталей машин и инструментов является борирование, позволяющее повысить твердость, износостойкость, коррозионную стойкость и т.д. Боридные слои имеют высокие характеристики. Микротвердость слоя достигает 2200 кг/мм2, причем эти значения микротвердости могут сохраняться до Т=600-700 оС, что позволяет применять борирование для повышения износостойкости изделий, работающих при высоких температурах. Электросопротивление стали при борировании увеличивается в 2 раза. Некоторые узлы современных машин, работающие в условиях трения, подвергаются повышенным вибрациям. Процессы, приводящие к износу деталей в таких условиях эксплуатации называются фреттинг-коррозией. Борирование является эффективным методом борьбы с этим явлением. Следует отметить перспективы применения борирования в реакторостроении, т.к. бор имеет большую величину поперечного сечения захвата нейтронов. Боридные слои обладают также, в определенных условиях, достаточно высокой коррозионной стойкостью в водных растворах соляной, серной и фосфорной кислот.

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.

  1. Сизов И.Г., Смирнягина Н.Н., Семенов А.П. Особенности электронно-лучевого борирования сталей // Металловедение и термическая обработка металлов. -1999. -№12. -С.8-11.
  2. 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.
  3. Сизов И. Г. Мессбауэровская спектроскопия боридного слоя после электроннолучевой обработки // Металловедение и термическая обработка металлов. -2003. -№9. -С.22-25.

Библиографическая ссылка

Сизов И.Г. ОЦЕНКА ХРУПКОСТИ БОРИДНЫХ СЛОЕВ ПОСЛЕ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОГО БОРИРОВАНИЯ // Современные наукоемкие технологии. – 2005. – № 11. – С. 77-78;
URL: https://top-technologies.ru/ru/article/view?id=26687 (дата обращения: 26.09.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074