ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

Введение. Одним из эффективных термохимических методов повышения твердости стали является борирование путем диффузии атомов бора в стальную поверхность при высоких температурах. В результате борирования на поверхности стали образуются покрытия, состоящие из столбчатых кристаллов FeB и Fe₂B. Объёмная доля фаз и толщина покрытий зависят от температуры нагрева и химического состава исходного материала и насыщающей среды. Основной недостаток этих боридных слоев – их высокая хрупкость. Борирование за счет плазменного нагрева является одной из альтернатив процессу диффузионного борирования для сведения к минимуму хрупкости борированного слоя. Цель работы: формирование боридных покрытий на низкоуглеродистой стали с использованием технологии плазменной наплавки. Методы исследования: определение содержания химических элементов с помощью электронно-зондового микроанализатора, металлографические исследования, анализ фазового состава наплавленного слоя покрытия, а также измерение микротвердости покрытия после плазменной наплавки. В работе исследованы боридные покрытия, полученные на низкоуглеродистой стали 20 методом плазменной наплавки борсодержащей обмазки. В качестве легирующего элемента использовался аморфный бор в виде порошка. Параметром, варьируемым в процессе плазменной наплавки, являлась сила тока (120, 140 и 160 А). Результаты и обсуждения. На основании выполненных исследований установлено, что возможно получить боридные слои на поверхности стали с использованием метода плазменной наплавки. Отмечено, что поверхностный слой покрытия 1-го и 2-го образцов после плазменной наплавки имеет гетерогенную структуру, состоящую из рядов различных зон. Первая зона имеет заэвтектическое строение и состоит из первичных боридов FeB и Fe₂B, которые находятся в эвтектике, состоящей из Fe₂B и α-Fe. Вторая зона покрытия сверху границы с основным металлом представлена колониями эвтектики из Fe₂B и α-Fe. На 3-м образце структура имеет доэвтектическое строение из боридной эвтектики и первичных дендритов α-твердого раствора бора в железе. Максимальная твердость зафиксирована на поверхности первого образца и составляет 1575 HV. Глубина упрочненного слоя повысилась с увеличением силы тока, однако значение твердости и содержание бора уменьшались после обработки. Небольшой градиент твердости, наблюдаемый по глубине покрытия, а также постепенное снижение твердости благодаря наличию переходной зоны считаются благоприятными для хорошей адгезии боридного слоя к поверхности основного материала.

1. Ворошнин Л.Г., Менделеева О.Л., Сметкин В.А. Теория и технология химико-термической обработки. – М.: Новое знание, 2010. – 304 с. – ISBN 978-5-94735-149-1.

2. Повышение электрической прочности ускоряющего зазора в источнике электронов с плазменным катодом / В.И. Шин, П.В. Москвин, М.С. Воробьев, В.Н. Девятков, С.Ю. Дорошкевич, Н.Н. Коваль // Приборы и техника эксперимента. – 2021. – № 2. – С. 69–75. – DOI: 10.31857/S0032816221020191.

3. Эволюция структуры поверхностного слоя стали, подвергнутой электронно-ионно-плазменным методам обработки / под ред. Н.Н. Коваля, Ю.Ф. Иванова. – Томск: Изд-во НТЛ, 2016. – 298 с. – ISBN 978-5-89503-577-1.

4. Гуляшинов П.А., Мишигдоржийн У.Л., Улаханов Н.С. Влияние механоактивации порошковой смеси на структуру и свойства бороалитированных малоуглеродистых сталей // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2020. – Т. 22, № 4. – С. 151–162. – DOI: 10.17212/1994-6309-2020-22.4-151-162.

5. Yan P.X., Su Y.C. Metal surface modification by B-C-nitriding in a two-temperature-stage process // Materials Chemistry and Physics. – 1995. – Vol. 39, iss. 4. – P. 304–308. – DOI: 10.1016/0254-0584(94)01444-L.

6. Structural and strength characterization of steels subjected to bonding thermochemical process / E. Meléndez, I. Campos, E. Rocha, M.A. Barrón // Materials Science and Engineering: A. – 1997. – Vol. 234–236. – P. 900–903. – DOI: 10.1016/S0921-5093(97)00389-4.

7. Bindal C., Üçisik A.H. Characterization of borides formed on impurity-controlled chromium-based low alloy steels // Surface and Coatings Technology. – 1999. – Vol. 122, iss. 2–3. – P. 208–213. – DOI: 10.1016/S0257-8972(99)00294-7.

8. Ворошнин Л.Г. Борирование промышленных сталей и чугунов: справочное пособие. – Минск: Беларусь, 1981. – 205 с.

9. Lin L., Han K. Optimization of surface properties by flame spray coating and boriding // Surface and Coatings Technology. – 1998. – Vol. 106, iss. 2–3. – P. 100–105. – DOI: 10.1016/S0257-8972(98)00501-5.

10. Kim H.-J., Grossi S., Kweon Y.-G. Wear performance of metamorphic alloy coatings // Wear. – 1999. – Vol. 232, iss. 1. – P. 51–60. – DOI: 10.1016/S0043-1648(99)00160-X.

11. Eroglu M. Boride coatings on steel using shielded metal arc welding electrode: Microstructure and hardness // Surface and Coatings Technology. – 2009. – Vol. 203, iss. 16. – P. 2229–2235. – DOI: 10.1016/j.surfcoat.2009.02.010.

12. Bourithis L., Papadimitriou G. Boriding a plain carbon steel with the plasma transferred arc process using boron and chromium diboride powders: microstructure and wear properties // Materials Letters. – 2003. – Vol. 57, iss. 12. – P. 1835–1839. – DOI: 10.1016/S0167-577X(02)01077-7.

13. Sizov I.G., Smirnyagina N.N., Semenov A.P. The structure and properties of boride layers obtained as a result of electron-beam chemical-thermal treatment // Metal Science and Heat Treatment. – 2001. – Vol. 11. – P. 45–46.

14. Characteristics and abrasive wear resistance of plasma alloyed layers based on tin bronze and chromium carbide / A.E. Balanovskiy, Nguyen Van Trieu, Nguyen Van Vinh, N.A. Astafieva // Tribology in Industry. – 2022. – Vol. 44 (3). – P. 518–527. – DOI: 10.24874/ti.1274.03.22.06.

15. Kulka M., Pertek A. Microstructure and properties of borocarburized 15CrNi6 steel after laser surface modification // Applied Surface Science. – 2004. – Vol. 236, iss. 1–4. – P. 98–105. – DOI: 10.1016/j.apsusc.2004.04.005.

16. Glozman A., Bamberger M. Phase transitions and microstructure of a laser-induced steel surface alloying // Metallurgical and materials transactions. A. – 1997. – Vol. 28. – P. 1699–1703. – DOI: 10.1007/s11661-997-0261-9.

17. Laser surface modification of low carbon borided steels / P. Gopalakrishnan, P. Shankar, R.V. Subba Rao, M. Sundar, S.S. Ramakrishnan // Scripta Materialia. – 2001. – Vol. 44, iss. 5. – P. 707–712. – DOI: 10.1016/S1359-6462(00)00674-6.

18. Tayal M., Mukherjee K. Localized boriding of low-carbon steel using a Nd:YAG laser // Journal of Materials Science. – 1994. – Vol. 29, iss. 21. – P. 5699–5702. – DOI: 10.1007/BF00349967.

19. Surface modification of mild steel with Boron Carbide reinforcement by electron beam melting / M. Iqbal, I. Shaukat, A. Mahmood, K. Abbas, M.A. Haq // Vacuum. – 2010. – Vol. 85, iss. 1. – P. 45–47. – DOI: 10.1016/j.vacuum.2010.03.009.

20. Bourithis L., Papaefthymiou S., Papadimitriou G.D. Plasma transferred arc boriding of a low carbon steel: microstructure and wear properties // Applied Surface Science. – 2002. – Vol. 200. – P. 203–218. – DOI: 10.1016/S0169-4332(02)00901-7.