ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

Введение. Борирование и бороалитирование являются эффективными способами повышения поверхностных свойств деталей машин и инструментов. Однако, данные способы находят ограниченное применение в промышленном производстве. Одним из сдерживающих факторов является повышенная хрупкость борированных и бороалитированных слоев. Так, традиционные способы борирования и бороалитирования с печным нагревом приводят к формированию слоев с игольчатой и со слоистой структурой соответственно. При этом, на поверхности данных слоев как правило формируются наиболее твердые и хрупкие фазы, такие как FeB и Fe₂Al₅. Цель работы: изучение последовательности формирования фаз в борированных и бороалитированных слоев, полученных под воздействием электронного пучка в вакууме на поверхности углеродистых сталей. В статье рассмотрены результаты исследования электронно-лучевого легирования углеродистых сталей. Легирование осуществляли или одним карбидом бора, или карбидом бора совместно с алюминием. Соответственно, в первом случае имело место электронно-лучевое борирование, а во втором - электронно-лучевое бороалитирование. Методы исследования. Были апробированы различные параметры электронно-лучевой обработки: ускоряющее напряжение, сила тока и длительность облучения. После обработки исследовалась микроструктура, микротвердость, элементный и фазовый состав полученных покрытий. Результаты и обсуждения. Установлено, что формирование фаз при легировании карбидом бора преимущественно происходит согласно диаграмме состояния Fe-B. Так, моноборид железа FeB кристаллизуется в виде ромбических и призматических кристаллов, на которых зарождается Fe₂B в виде округлых дендритов. Остатки жидкости при охлаждении кристаллизуются в виде эвтектики из Fe₂B и твердого раствора бора в α-Fe. При этом, после электронно-лучевого бороалитирования эвтектику образуют Fe₂B и твердый раствор Al и B в α-Fe. В целом, микроструктуры полученных слоев после электронно-лучевого нагрева являются более предпочтительными, по сравнению с традиционной ХТО с печным нагревом.

1. Weglowski M.St., Blacha S., Phillips A. Electron beam welding – Techniques and trends – Review // Vacuum. – 2016. – Vol. 130. – P. 72–92. – doi: 10.1016/j.vacuum.2016.05.004.

2. Методы и средства упрочнения поверхностей деталей машин концентрированными потоками энергии / А.П. Семенов, И.Б. Ковш, И.М. Петрова и др. – М.: Наука, 1992. – 403 с.

3. Electron beam cladding and alloying of AISI 316 on plain carbon steel: microstructure and electrochemical corrosion behavior / A. La Barbera, A. Mignone, S. Tosto, C. Vignaud // Surface and Coatings Technology. – 1991. – Vol. 46, iss. 3. – P. 317–329. – doi: 10.1016/0257-8972(91)90174-U.

4. Sizov I.G., Smirnyagina N.N., Semenov A.P. Special features of electron-beam boronizing of steels // Metal Science and Heat Treatment. – 1999. – Vol. 41. – P. 516–519. – doi: 10.1007/BF02466542.

5. Упрочнение поверхности литой стали комплексным диффузионным насыщением бором и хромом / В.Л. Мосоров, А.М. Гурьев, Б.Д. Лыгденов, Д.С. Фильчаков // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2011. – № 2. – С. 33–36.

6. Suwattananont N., Petrova R. Formation of multi-component boronization by adding transition metal group VIB // Solid State Sciences. – 2012. – Vol. 14. – P. 1669–1672. – doi: 10.1016/j.solidstatesciences.2012.06.008.

7. Sizov I.G., Mishigdorzhiyn U.L., Maharov D.M. A study of thermocycling boroaluminizing of carbon steel // Metals Science and Heat Treatment. – 2012. – Vol. 53, iss. 11–12. – P. 592–597. – doi: 10.1007/s11041-012-9440-4.

8. Boron–aluminide coatings applied by pack cementation method on low-alloy steels / N.E. Maragoudakis, G. Stergioudis, H. Omar, H. Paulidou, D.N. Tsipas // Materials Letters. – 2002. – Vol. 53. – Р. 406–410. – doi: 10.1016/S0167-577X(01)00515-8.

9. Сизов И.Г. Оценка хрупкости боридных слоев после электронно-лучевого борирования // Современные наукоемкие технологии. – 2005. – № 11. – С. 77–78.

10. Влияние процесса бороалитирования в пастах на повышение стойкости деталей литейной оснастки / И.Г. Сизов, У.Л. Мишигдоржийн, А.Н. Телешев, Д.М. Махаров // Технология металлов. – 2011. – № 8. – С. 23–26.

11. Влияние состава насыщающих обмазок на структуру и свойства бороалитированного слоя / И.Г. Сизов, И.П. Полянский, У.Л. Мишигдоржийн, Д.М. Махаров // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2013. – № 1 (58). – С. 22–25.

12. Морфология боридов железа в поверхностном слое, наплавленном электронным лучом / И.А. Батаев, Н.В. Курлаев, О.Г. Ленивцева, О.А. Бутыленкова, А.А. Лосинская // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2012. – № 1 (54). – С. 85–89.

13. Krukovich M.G., Prusakov B.A., Sizov I.G. Plasticity of boronized layers. – 1st ed. – Cham: Springer, 2016. – 364 p. – ISBN 978-3-319-40011-2.

14. Лякишев Н.П., Плинер Ю.Л., Лаппо С.И. Борсодержащие стали и сплавы. – М.: Металлургия, 1986. – 190 с.

15. Бочвар А.А. Металловедение: учебник для втузов. – М.: Металлургиздат, 1956. – 495 с.

16. Таран Ю.Н., Мазур В.Н. Структура эвтектических сплавов. – М.: Металлургия, 1978. – 312 с.

17. Банных О.А., Будберг П.Б., Алисова С.П. Диаграммы состояния двойных и многокомпонентных систем на основе железа. – М.: Металлургия, 1986. – 440 с.

18. Rogl P. Aluminium – Boron – Iron // Ternary alloy systems: phase diagrams, crystallographic and thermodynamic data. Subvol. D. Iron systems, pt. 1 / ed. by G. Effenberg, S. Ilyenko. – Berlin; Heidelberg: Springer, 2008. – doi: 10.1007/978-3-540-69761-9_3.

19. Influence of process duration on structure and chemistry of borided low carbon steel / G. Kartal, S. Timur, O.L. Eryilmaz, A. Erdemir // Surface and Coatings Technology. – 2010. – Vol. 205. – P. 1578–1583. – doi: 10.1016/j.surfcoat.2010.08.050.

20. Xie F., Wang X.-J., Pan J.-W. Accelerate pack boriding with reused boriding media by simultaneously employing Al and alternating current field // Vacuum. – 2017. – Vol. 141. – P. 166–169. – doi: 10.1016/j.vacuum.2017.04.011.

21. Xie F., Sun L., Cheng J. Alternating current field assisted pack boriding to Fe₂B coating // Surface Engineering. – 2013. – Vol. 29. – P. 240–243. – doi: 10.1179/1743294412Y.0000000104.

22. Keddam M., Chentouf S.M. A diffusion model for describing the bilayer growth (FeB/Fe2B) during the iron powder-pack boriding // Applied Surface Science. – 2005. – Vol. 252, iss. 4. – P. 393–399. – doi: 10.1016/j.apsusc.2005.01.016.