ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
ТЕХНОЛОГИЯ • ОБОРУДОВАНИЕ • ИНСТРУМЕНТЫPrint ISSN: 1994-6309 Online ISSN: 2541-819X
Введение. Боромеднение – один из способов химико-термической обработки (ХТО), направленный на получение диффузионных слоев с высокими физико-механическими свойствами на поверхности углеродистых и легированных сталей. Толщина диффузионного слоя является наиболее важной характеристикой ХТО, которая определяет глубину упрочнения. Следовательно, интенсивность и основные характеристики процесса ХТО (толщина слоя, распределение концентрации легирующего элемента) будут зависеть от условий проведения процесса (температуры, времени выдержки и количества легирующего элемента). Целью настоящей работы является определение температурно-временных параметров диффузионного боромеднения, способствующих получению диффузионных слоев с максимальной толщиной. В работе рассмотрены результаты исследований по упрочнению углеродистых и легированных сталей (на примере стали 45, У10 и 5ХНМ) нагревом в порошковых насыщающих смесях, содержащих бор и медь. Процесс боромеднения проводили в герметичных контейнерах с порошковой насыщающей смесью, состоящей из карбида бора, оксида меди и фторида натрия в качестве активатора при температуре 950 °С, в течение 3…5 ч. Полученные образцы с диффузионным слоем исследовали на оптическом и растровом электронном микроскопе (РЭМ); определены микротвердость, элементный и фазовый состав слоев, а также шероховатость полученных поверхностей. Результаты и обсуждения. Исследована микроструктура полученных диффузионных слоев, показаны диаграммы изменения толщины слоев и распределения микротвердости по глубине диффузионных слоев. Установлено, что при увеличении времени выдержки с 3 до 5 часов толщина диффузионного слоя возрастает от 120 до 170 мкм на стали 45; от 110 до 155 мкм на стали У10 и от 130 до 230 мкм на стали 5ХНМ. Выявлено постепенное снижение концентрации бора и меди по толщине слоя с 15…16 % и 2…3 % на поверхности соответственно до нулевых значений на границе с основным металлом. Установлено, что процесс боромеднения приводит к созданию более протяженных по глубине боридных слоев на поверхности углеродистых и легированных сталей по сравнению с чистым борированием. Причем увеличение продолжительности выдержки при проведении процесса способствует наибольшему увеличению толщины слоя на стали 5ХНМ. Проведено исследование микрогеометрии, показаны микротопографии и профилограммы поверхностей образцов до и после боромеднения. Установлено, что шероховатость после боромеднения увеличивается в 2-3 раза по сравнению с исходной, а увеличение продолжительности процесса при этом не оказывает существенного влияния на шероховатость.
Лысых Степан Алексеевич
Корнопольцев Василий Николаевич
Мишигдоржийн Ундрах Лхагвасуренович
Хараев Юрий Петрович
Тихонов Александр Геннадьевич
Иванцивский Владимир Владимирович
Вахрушев Никита Викторович
1. Busby P.E., Warga M.E., Wells C. Diffusions and solubility of boron in iron and steel // JOM. – 1953. – Vol. 5. – P. 1463–1468. – DOI: 10.1007/BF03397637.
2. Boriding of steel: improvement of mechanical properties – a review / M. Prince, G. Surya Raj, D. Yaswanth Kumar, P. Gopalakrishnan // High Temperature Material Processes. – 2022. – Vol. 26 (2). – P. 43–89. – DOI: 10.1615/HighTempMatProc.2022041805.
3. Шевчук Е.П., Плотников В.А., Бектасова Г.С. Диффузия бора при борировании углеродистой стали // Известия Алтайского государственного университета. – 2021. – № 1 (117). – С. 64–65. – DOI: 10.14258/izvasu(2021)1-10.
4. FeB/Fe2B phase transformation during SPS pack-boriding: Boride layer growth kinetics / L.G. Yu, X.J. Chen, K.A. Khor, G. Sundararajan // Acta Materialia. – 2005. – Vol. 53. – P. 2361–2368. – DOI: 10.1016/j.actamat.2005.01.043.
5. A microstructure comparison of Iron borides formed on AISI 1040 and D2 steels / J. Bernal-Ponce, A. Irvin-Martinez, E. Vera-Cardenas, A. Garcia-Barrientos, A. Medina-Flores, L. Bejar-Gomez, S. Borjas-Garcia // Microscopy and Microanalysis. – 2015. – Vol. 21, suppl. 3. – P. 1759–1760. – DOI: 10.1017/S1431927615009575.
6. Мишустин Н.М., Иванайский В.В., Ишков А.В. Состав, структура и свойства износостойких покрытий, полученных на сталях 65Г и 50ХГА при скоростном ТВЧ-борировании // Известия Томского политехнического университета. – 2012. – Т. 320, № 2. – С. 68–72.
7. Балановский А.Е., Ву В. Плазменная поверхностная цементация с использованием графитового покрытия // Письма о материалах. – 2017. – Т. 7, № 2. – С. 175–179. – DOI: 10.22226/2410-3535-2017-2-175-179.
8. Comparative evaluation of austenite grain in high-strength rail steel during welding, thermal processing and plasma surface hardening / A.D. Kolosov, V.E. Gozbenko, M.G. Shtayger, S.K. Kargapoltsev, A.E. Balanovskiy, A.I. Karlina, A.V. Sivtsov, S.A. Nebogin // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – 2019. – Vol. 560. – DOI: 10.1088/1757-899X/560/1/012185.
9. Study of matrix and rare elements in ash and slag waste of a thermal power plant concerning the possibility of their extraction / T.G. Cherkasova, E.V. Cherkasova, A.V. Tikhomirova, N.V. Gilyazidinova, R.V. Klyuev, N.V. Martyushev, A.I. Karlina, V.Yu. Skiba // Metallurgist. – 2022. – Vol. 65 (11–12). – P. 1324–1330. – DOI: 10.1007/s11015-022-01278-2.
10. Influence of welding regimes on structure and properties of steel 12KH18N10T weld metal in different spatial positions / R.A. Mamadaliev, P.V. Bakhmatov, N.V. Martyushev, V.Yu. Skeeba, A.I. Karlina // Metallurgist. – 2022. – Vol. 65 (11–12). – P. 1255–1264. – DOI: 10.1007/s11015-022-01271-9.
11. Alloying and modification of iron-carbon melts with natural and man-made materials / O.I. Nokhrina, R.A. Gizatulin, M.A. Golodova, I.E. Proshunin, D.V. Valuev, N.V. Martyushev, A.I. Karlina // Metallurgist. – 2022. – Vol. 65 (11–12). – P. 1429–1448. – DOI: 10.1007/s11015-022-01289-z.
12. Strengthening of metallurgical equipment parts by plasma surfacing in nitrogen atmosphere / N.N. Malushin, N.V. Martyushev, D.V. Valuev, A.I. Karlina, A.P. Kovalev, R.A. Gizatulin // Metallurgist. – 2022. – Vol. 65 (11–12). – P. 1468–1475. – DOI: 10.1007/s11015-022-01292-4.
13. Balanovskiy A.E., Van Huy V. Estimation of wear resistance of plasma-carburized steel surface in conditions of abrasive wear // Journal of Friction and Wear. – 2018. – Vol. 39. – P. 311–318. – DOI: 10.3103/S1068366618040025.
14. Surface hardening of structural steel by cathode spot of welding arc / A.Е. Balanovskiy, M.G. Shtayger, А.I. Karlina, S.K. Kargapoltsev, V.E. Gozbenko, Yu.I. Karlina, A.S. Govorkov, B.O. Kuznetsov // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – 2019. – Vol. 560. – P. 012138. – DOI: 10.1088/1757-899X/560/1/012138.
15. Nguyen V.T., Astafeva N.A., Balanovskiy A.E. Study of the formation of the alloyed surface layer during plasma heating of mixtures of Cu-Sn CrXCY alloys // Tribology in Industry. – 2021. – Vol. 43. – P. 386–396. – DOI: 10.24874/ti.1070.03.21.05.
16. Non-vacuum electron-beam boriding of low-carbon steel / I.A. Bataev, A.A. Bataev, M.G. Golkovsky, A.Yu. Teplykh, V.G. Burov, S.V. Veselov // Surface and Coatings Technology. – 2012. – Vol. 207. – P. 245–253. – DOI: 10.1016/j.surfcoat.2012.06.081.
17. Structure of surface layers produced by non-vacuum electron beam boriding / I.A. Bataev, A.A. Bataev, M.G. Golkovski, D.S. Krivizhenko, A.A. Losinskaya, O.G. Lenivtseva // Applied Surface Science. – 2013. – Vol. 284, iss. 2. – P. 472–481. – DOI: 10.1016/j.apsusc.2013.07.121.
18. Microstructure and wear behavior of tungsten hot-work steel after boriding and boroaluminizing / U. Mishigdorzhiyn, Y. Chen, N. Ulakhanov, H. Liang // Lubricants. – 2020. – Vol. 8, iss. 3. – P. 26. – DOI: 10.3390/lubricants8030026.
19. Microstructural and mechanical properties of B-Cr coatings formed on 145Cr6 tool steel by laser remelting of diffusion borochromized layer using diode laser / A. Bartkowska, D. Bartkowski, D. Przestacki, J. Hajkowski, A. Miklaszewski // Coatings. – 2021. – Vol. 11. – P. 608. – DOI: 10.3390/coatings11050608.
20. Laser surface modification of boronickelized medium carbon steel / A. Bartkowska, A. Pertek, M. Kulka, L. Klimek // Optics and Laser Technology. – 2015. – Vol. 74. – P. 145–157. – DOI: 10.1016/j.optlastec.2015.05.014.
21. Исследование формирования диффузионных слоев на стали 20 при одновременном насыщении бором и медью / С.А. Лысых, Ю.П. Хараев, В.Н. Корнопольцев, В.А. Бутуханов // Современные наукоемкие технологии. – 2018. – № 9. – С. 56–60. – URL: https://top-technologies.ru/ru/article/view?id=37159 (дата обращения: 06.02.2023).
22. Формирование диффузионных слоев и исследование шероховатости при комплексном насыщении поверхности стали 5ХНМ бором и медью / С.А. Лысых, Ю.П. Хараев, В.Н. Корнопольцев, Х.С. Чжун, Б.Д. Лыгденов, А.М. Гурьев // Ползуновский вестник. – 2020. – № 3. – С. 77–82. – DOI: 10.25712/ASTU.2072-8921.2020.03.013.
23. Хараев Ю.П., Корнопольцев В.Н., Лысых С.А. Определение состава смеси при поверхностном упрочнении стали бором и медью // Ползуновский альманах. – 2016. – № 4. – С. 142–144.
24. Модификация поверхностного слоя штамповых сталей созданием B-Al-слоев химико-термической обработкой / Н.С. Улаханов, У.Л. Мишигдоржийн, А.Г. Тихонов, А.И. Шустов, А.С. Пятых // Упрочняющие технологии и покрытия. – 2021. – Т. 1, № 12 (204). – С. 557–564. – DOI: 10.36652/1813-1336-2021-17-12-557-564.
25. Pyatykh A., Savilov A., Timofeev S. Investigation of Hadfield steel machinability in milling operations // Key Engineering Materials. – 2022. – Vol. 910. – P. 123–128. – DOI: 10.4028/p-8p4ud2.
26. Лахтин Ю.М., Арзамасов Б.Н. Химико-термическая обработка металлов. – М.: Металлургия, 1985. – 256 с.
27. Лабунец В.Ф., Ворошнин Л.Г., Киндарчук М.В. Износостойкие боридные покрытия. – Киев: Техника, 1989. – 253 с.
28. Гузанов Б.Н., Косицын С.В., Пугачева Н.Б. Упрочняющие защитные покрытия в машиностроении. – Екатеринбург: УрО РАН, 2004. – 244 с. – ISBN 5-7691-1405-3.
29. Кайдаш Н.Г., Четверикова Л.Н. Структура и свойства боридосилицидных покрытий на железе и стали // Вестник Черкасского национального университета. Серия: Физико-математические науки. – 2007. – № 114. – С. 89–115.
Финансирование:
Исследование углеродистых сталей 45 и У10 выполнено в рамках государственного задания БИП СО РАН № 0273-2021-0007. Исследование легированной стали 5ХНМ выполнено при финансовом обеспечении гранта Российского научного фонда (проект 19-79-10163-П).
Благодарности:
Исследования частично выполнены на оборудовании ЦКП «Структура, механические и физические свойства материалов» (соглашение с Минобрнаукой № 13.ЦКП.21.0034) и ЦКП «Научные приборы» Бурятского государственного университета им. Доржи Банзарова. Авторы выражают благодарность Улаханову Николаю Сергеевичу и Гуляшинову Павлу Анатольевичу за помощь в координации экспериментальных исследований.
Влияние продолжительности боромеднения на толщину диффузионного слоя и микротвердость углеродистых и легированных сталей / С.А. Лысых, В.Н. Корнопольцев, У.Л. Мишигдоржийн, Ю.П. Хараев, А.Г. Тихонов, В.В. Иванцивский, Н.В. Вахрушев // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2023. – Т. 25, № 1. – С. 131–148. – DOI: 10.17212/1994-6309-2023-25.1-131-148.
Lysykh S.A., Kornopoltsev V.N., Mishigdorzhiyn U.L., Kharaev Yu.P., Tikhonov A.G., Ivancivsky V.V., Vakhrushev N.V. The effect of borocoppering duration on the composition, microstructure and microhardness of the surface of carbon and alloy steels. Obrabotka metallov (tekhnologiya, oborudovanie, instrumenty) = Metal Working and Material Science, 2023, vol. 25, no. 1, pp. 131–148. DOI:10.17212/1994-6309-2023-25.1-131-148. (In Russian).
