Структурная модификация БОРИДНЫХ СЛОЕВ

 

structural modification of boride layers

 

Крукович М.Г., Клочков Н.П., Савельева А.С.

(МГУПС-МИИТ, г. Москва, РФ),

Бирюков В.П. (ИМАШ РАН, г. Москва, РФ)

 

Krukovich M.G., Klochkov N.P., Savelieva A.S.

(Moscow State University of Railways Transportation, RF)

Birukov V.P. (Engineering science institute RSA, RF)

 

Исследована возможность структурной модификации боридных слоев с использованием лазерного и электронно-лучевого нагрева. При этом обеспечивается фрагментация боридного слоя, залечивание пор, изменение фазового состава, благоприятное распределение твердости.

 

The possibility of the structural modification of boride layers with used the laser and electron beam heating investigated in this paper. The treatment addition is guarantees of the fragmentation of boride layers, of the porosity eliminate, of the change of phase composition, of the profile of hardness favorable.

 

Ключевые слова: боридные слои, лазерная обработка, электронно-лучевой нагрев, фрагментация, композиционная структура, повышение пластичности

Key words: boride layers, laser treatment, electron beam heating, fragmentation, composition structure, improve of plasticity

 

Боридные слои являются одними из наиболее износостойких диффузионных слоев. Они повышают эксплуатационную стойкость деталей и инструментов в 2-10 раз. В то же время слои на основе боридов обладают достаточно высокой хрупкостью. Поэтому на протяжении многих лет ведутся работы, направленные на снижение хрупкости путем структурной модификации борированных слоев [1].

         При испытаниях на изнашивание компактных боридных слоев на основе фаз FeB и Fe2B, полученных традиционными методами, в диапазоне малых скоростей скольжения 0,05…0,5 м/с наблюдается интенсивное разрушение [1, 2]. Основными причинами разрушения являются: затрудненность образования экранирующих  вторичных структур в этих условиях трения; высокая хрупкость боридов железа; наличие микротрещин и пор в боридном слое. Боридные частицы, отделившиеся от поверхностного слоя, имея высокую микротвердость, инициируют развитие абразивного изнашивания.

Для композиционных структур, пластичность которых во много раз выше, чем сплошного боридного слоя, абразивное изнашивание значительно ниже из-за отсутствия сколов и трещин в поверхностном слое во всем рассматриваемом диапазоне скоростей скольжения. В композиционных структурах в результате пластической деформации при трении и изнашивании, приложенная нагрузка действует преимущественно на хрупкую составляющую. Энергия разрушения высокодисперсных частиц, имеющих размеры десятки и сотни микрометров, значительно больше энергии разрушения компактных боридов. Кроме того, твердые частицы боридов железа препятствуют движению дислокаций в α – твердом растворе и, тем самым, способствуют увеличению степени упрочнения самой матрицы.

Таким образом, появляется целесообразность перевода компактной структуры боридного слоя в композиционную структуру борированного слоя либо на всей изнашиваемой поверхности, либо в отдельных ее зонах.

Целью данной работы является повышение пластичности борированных слоев при их дополнительной обработке и расширение области применения.

Основными путями реализации цели являлись:

-         изменение фазового состава с уменьшением твердости;

-         диспергирование структуры поверхности и/или подслоя;

-         создание плавного перехода твердости от поверхности к сердцевине;

-         создание разгрузочных зон путем нанесения на изнашиваемые поверхности сетки лазерных дорожек.

Лазерной обработке  подвергались боридные слои на стали 40Х, полученные в порошковой насыщающей смеси, содержащей 3% NH4F, 10% Al2O3, 87% B4C. Борирование проводили в контейнере с плавким затвором для защиты образцов и насыщающей смеси от печной окислительной атмосферы. В качестве защитного затвора использовали смесь песка (95%) и обезвоженной буры (5%). Насыщение проводили при 9500С в течение - 6 ч.

Обычно, боридные слои имеют игольчатое строение. Основными фазами слоев являются FeB и Fe2B  с твердостью ~21500МПа и ~16000МПа, соответственно. Однако структура слоев, характер распределения фаз в слое и распределение твердости во многом зависит от технологии получения [1].

Распределение твердости для боридных слоев имеет достаточно резкий переход к сердцевине детали. Это зачастую формирует и резкий перепад напряжений, что приводит к самопроизвольному скалыванию более хрупкого борида FeB.

Принимая во внимание трудность обеспечения определенного температурного режима при лазерном воздействии, необходимо использовать лазерные установки,. Лазерную обработку проводили на сканере для пространственного управления лазерного луча, оснащенного лазерной установкой «Комета-М» и сканирующими устройствами для высокочастотного колебания луча, что обеспечивало более широкие возможности контроля температуры [3]. Мощность излучения изменялась в пределах 700…1300 Вт. Скорость перемещения луча 2…50 мм/с. Лазерный нагрев боридного покрытия производили расфокусированным и сканирующим лучом в направлении поперечном его перемещению с частотой 220 Гц. Ширина зоны лазерного воздействия составила при обработке расфокусированным лучом 2,4…3,2 мм и 5,6…6,1 мм при обработке сканирующим лучом. Режим обработки выбирался таким образом, чтобы температура поверхности не превышала температуру плавления Fe-B-C эвтектики, т.е. не превышала 11000С.

Металлографический анализ микроструктуры покрытия проводили на оптическом микроскопе PME-3 "OLYMPUS", снабженном цифровой видеокамерой, с использованием анализатора изображения IA-3001 фирмы "LECO". Измерение микротвердости покрытия осуществлялось на микротвердомере М-400-Н (LECO) при нагрузке 100 г.

Исследование микроструктуры борированных образцов показало, что слои состоят,  по крайней мере, из двух зон: крупных столбчатых кристаллитов боридов размером более 100 мкм и серого слоя располагающегося между иглами и под ними. Принимая во внимание «борный потенциал» используемой насыщающей среды слой боридов состоял из фаз FeB и Fe2B с микротвердостью 19500МПа и 16000МПа, соответственно. Высокобористая фаза (FeB) располагалась отдельными включениями на поверхности. Это хорошо видно по степени травления (Рис.1). Кроме этого в приповерхностном слое наблюдались поры размером около 50 мкм. Появление пористой структуры поверхности связано с недостаточной герметизацией насыщающего контейнера и быстрой истощаемостью рабочей смеси. В то же время такая структура боридного слоя является предпочтительной в условиях трения в присутствии смазочного материала, так как полученная открытая пористость играет роль маслоудерживающих карманов.

Рисунок 1 - Микроструктура исходного боридного слоя

 

В результате дополнительного высокоскоростного лазерного нагрева боридных слоев и охлаждения за счет теплоотвода вглубь материала происходит фрагментация структуры боридов и устранение  дефектов в виде пор. Следует предположить, что заращивание пор могло происходить за счет резкого увеличения объема при местном нагреве и возникновении сжимающих напряжений, а также за счет активных диффузионных процессов с участием атомов железа и бора. Это может способствовать повышению износостойкости в условиях трения без смазывающего материала слоев, обработанных лазерным лучом, при этом местный нагрев помимо структурных изменений вносит изменения в напряженное состояние борированной поверхности в целом. Фотографии микроструктур после лазерной обработки представлены на рис. 2. Средняя микротвердость столбчатых фаз составила 15000 МПа, а серых зон расположенных между иглами боридов и под ними 7500 МПа. Снижение микротвердости боридов связано с рассасыванием высокобористой и более твердой фазы (FeB), а также снижением уровня напряженного состояния за счет образования фрагментированной структуры. Наблюдается также притупление игл боридов и увеличение их толщины. Все это, в конечном счете, обеспечивает некоторое повышение пластичности слоя боридов.

 а)

 б)

Рисунок 2- Микроструктуры борированных зон после лазерной обработки

 

Нагрев материала основы приводит к образованию сплошной зоны мартенсита в подслое (Рис. 2, б). Образование сплошного слоя мартенсита связано с наличием в подслое повышенного содержания углерода, полученного при борировании за счет оттеснения его растущим слоем боридов, и достаточной скоростью теплоотвода. Включения феррита, располагающиеся на некотором удалении от слоя боридов, подвергаются наклепу и их микротвердость становится в 1,5…2 раза выше, чем в исходном состоянии. Таким образом, создается благоприятное плавное распределение микротвердости от поверхности вглубь образца.

При воздействии на поверхность расфокусированным лазерным лучом на всех режимах наблюдается частичное выгорание бора слоя с поверхности. При обработке же высокочастотным сканирующим лучом топография поверхностного слоя имеет более ровный характер и незначительно отличается от исходного состояния. Это позволяет использовать деталь с модифицированной высокочастотным сканирующим лучом борированной поверхностью без дополнительной доводки или тонкого шлифования.

Дорожки лазерной обработки, вследствие повышения пластичности, могут играть роль релаксаторов эксплуатационных напряжений на достаточно протяженных изнашиваемых поверхностях. В особенности их роль повышается при нанесении таких дорожек в виде сетки с углом 60о по отношению к направлению скольжения.

Для оптимизации износостойкости размер ячеек сетки лазерных дорожек, угол наклона по отношению к направлению трения и глубина модификации борированного слоя должна подбираться индивидуально, исходя из материала детали, состояния основы, условий насыщения и структурного типа борированного слоя, величины допустимого изнашивания, формы поверхности трения и условий эксплуатации.

Электронно-лучевой нагрев при установленной мощности электронного пучка (2,9×104 Вт/см2) приводит к тому, что в боридных слоях, полученных другими способами, происходят сложные процессы, обусловленные комплексным воздействием электронного пучка на поверхность. Оно сопровождаются повышением температуры, образованием большого количества точечных дефектов и возникновением направленных диффузионных потоков. Изменения в слое носят следующий характер:

►радиационное и термическое диспергирование боридов на поверхности слоя и на концах игл в подслое с образованием поликанальной структуры, преимущественно параллельно направленной температурному, радиационному и концентрационному градиентам. Формирование такой структуры следует связать с образованием большого количества точечных дефектов в боридах и с возникновением двух диффузионных потоков атомов бора и железа от средней части боридного слоя к границам раздела боридов с внешней средой и с основным металлом (подложкой). Это сопровождается частичным выходом атомов бора в окружающее пространство и диффузией атомов бора от конца боридных игл в металл основы. При этом наблюдается выравнивание границы раздела слоя с подложкой, так как не имеется преимущественного роста поликанальной структуры в определенном кристаллографическом направлении, т.е. устраняется текстурованность и игольчатость слоя боридов при установившихся градиентах температуры, концентрации и режима радиационного воздействия (Рис. 3, а, б);

►в подслое происходит оттеснение углерода и накопление легирующих элементов с образованием легированных боридов и карбоборидов, а в поверхностных слоях в пределах поликанальной структуры происходит естественный отбор кристаллитов благоприятно ориентированных к поверхностному радиационному воздействию и восходящим диффузионным потокам атомов железа и бора. Благоприятная ориентация выражается в кубической форме кристаллитов, характерной для тетрагональной кристаллической структуры борида Fe2B, которая в сечении имеет вид квадратов со сторонами параллельными и перпендикулярными диффузионным потокам. Неблагоприятно ориентированные кристаллиты претерпевают дальнейшее диспергирование, создавая основу для зарождения благоприятно ориентированных кристаллов. При этом высокобористая FeB фаза  заменяется фазой Fe2B, благоприятно ориентированной в структуре слоя боридов (Рис. 3, в);

►рост благоприятно ориентированных кристаллитов боридов в приповерхностной зоне за счёт диффузионных потоков из более глубоких слоёв и их радиационное «разрыхление» со стороны поверхности. Это выражается в формировании структуры кристаллитов с открытой областью со стороны воздействия радиационного потока, которые названы боридами вида «китайских иероглифов». Формирование боридов вида «китайских иероглифов» при постоянном радиационном воздействии сопровождается образованием пористости в поверхностных слоях. С позиции эксплуатационных свойств пористость играет роль маслоудерживающих карманов, что обеспечивает смазывание поверхностей в узлах трения при сохранении высокой твердости и пластичности борированного слоя. В поликанальной зоне борированного слоя, прилегающего к подложке, нет достаточных условий для образования включений боридов вида «китайских иероглифов», так как радиационный и диффузионный потоки имеют одно направление и недостаточна концентрация бора. В подслое за счет образования участков с повышенной концентрацией углерода и легирующих элементов возможно создание условий появления жидкокристаллического состояния (Рис. 3, г, д);

►дальнейшее радиационное разрыхление слоя боридов на поверхности и по мере выхода атомов бора в окружающее пространство образование в слое включений α-твердого раствора бора в железе. Развитие структуры слоя с внутренней стороны и подслоя определяется степенью легированности подложки, содержанием углерода и температурой процесса. Однако во всех случаях оно также связано с образованием карбоборидов и α-твердого раствора бора и легирующих элементов в железе.

Рисунок 3 - Микроструктура слоя после электронно-лучевой обработки (Руд=2,9×104 Вт/см2; Тобр=1050 – 11000С, при разной продолжительности оброаботки) [1]

 

Применение диспергированных и фрагментированных борированных слоев повышает их эффективность и расширяет области использования. В частности, рекомендуются следующие области использования (при мощности электронного пучка, раном 2,9×104 Вт/см2):

-         для повышения износостойкости деталей при сохранении высокой твердости боридов следует рекомендовать слои после радиационного воздействия в течение менее 30 с;

-         для условий эксплуатации при наличии ударных нагрузок и интенсивного износа следует рекомендовать пластичные слои с твердостью ≈ 1400 – 1450 кгс/мм2 после радиационного воздействия в течение 30 – 50 с;

-         для условий эксплуатации при знакопеременном нагружении, при кручении и изгибе следует рекомендовать пластичные слои после радиационного воздействия в течение 50 – 75 с, либо слои, полученные непосредственно после электронно-лучевого борирования.

 

Список использованных источников

1.    Крукович М.Г., Прусаков Б.А., Сизов И.Г. Пластичность борированных слоев. – М.: Физматлит, 2010, 365 с.

2.    Лабунец В.Ф., Ворошнин Л.Г., Киндрачук М.В. Износостойкие боридные покрытия. - К.: Техника, 1989. – 158 с.

3.    Бирюков В.П. Промышленное применение СО2 – лазеров для наплавки, упрочнения деталей и точного раскроя листовых материалов //Тяжелое машиностроение. - №4. - 2006. – С. 25-28.