УДК 621.77.01

 

АНАЛИЗ ФОРМИРОВАНИЯ ДИФФУЗИОННЫХ СЛОЕВ В МНОГОСЛОЙНЫХ МАТЕРИАЛАХ ПРИ НАСЫЩЕНИИ УГЛЕРОДОМ

 

ANALYSIS OF THE FORMATION OF DIFFUSION LAYERS IN MULTILAYER MATERIALS UPON CARBON SATURATION

 

Поликевич К.Б., Плохих А.И., Власова Д.В., Минаков А.А.

(Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет), г.Москва,  РФ)

 

Polikevich K.B., Plokhikh A.I., Vlasova D.V., Minakov A.A.

(Bauman Moscow State Technical University)

 

Работа посвящена анализу процессов насыщения многослойных металлических  материалов, имеющих ламинарное строение, углеродом. Представлены микроструктуры полученных диффузионных слоев. Установлено, что наблюдается преимущественная диффузия про межслойным границам с последующим оттоком в слой. Проведена оценка влияния химического состава композиции на структуру формируемого диффузионного слоя.

 

The article is devoted to the analysis of saturation processes of multilayer metal materials having a laminar structure with carbon. Microstructures of the obtained diffusion layers are presented. It was established that predominant diffusion is observed at interlayer boundaries with subsequent outflow into the layer. The effect of the chemical composition of the composition on the structure of the formed diffusion layer is assessed

 

Ключевые слова: многослойные металлические материалы, химико-термическая обработка, цементация, диффузия

Key words: multilayer materials, Hall-Patch dependence, hardness diffusion, multilayer metal materials, carburization, grain boundary diffusion, chemical heat treatment

 

Диффузионные процессы являются одними из основных, определяющих эксплуатационные свойства материалов. Особое значение имеет зернограничная диффузия – важный процесс, который происходит в поликристаллических телах, сосредоточенный в узких (толщиной в несколько атомных слоев) зонах на границе зерен с различной кристаллографической ориентацией [1, 2].

Многослойные металлические материалы являются перспективными объектами для изучения зернограничной диффузии и механизмов формирования диффузионных слоев засчет наличия ламинарной структуры, которая формируется в результате технологического процесса получения данных материалов [3]. Как известно, в зонах контакта зерен, диффузионный перенос осуществляется быстрее, чем в объеме из-за наличия значительного количества дефектов, поэтому наличие большой протяженности границ зерен может позволить увеличить глубину упрочненного слоя и сократить время химико-термической обработки материала, поэтому является достаточно важным понимание процессов, происходящих при диффузионном насыщении данных материалов [4].

Для проведения исследований были подготовлены образцы многослойных материалов, состоящие из попеременно чередующихся слоев сталей 08Х18Н10 и 08Х18 аустенитного и ферритного классов, соответственно, и имеющие толщину ламинарного слоя 100 мкм. Заготовка имеет толщину 10 мм и количество слоев 100 шт. Исследования проводились с помощью светового микроскопа OLYMPUS CX 21 на образцах, вырезанных вдоль направления диффузионного потока. Поверхностное насыщение углеродом проводилось при температуре 950 оС в течение 5 часов.

Исследования микроструктуры после цементации показывает различие в формировании диффузионных слоев в стали 08Х18 и 08Х18Н10 (рис. 1).

Рисунок 1 -  Микроструктура цементованного слоя в многослойном материале композиции 08Х18+08Х18Н10 (толщина ламинарного слоя – 100 мкм)

 

Так, в слоях стали 08Х18 наблюдаются карбиды с пластинчатым строением, схожие со структурой перлита, а в слоях стали 08Х18Н10 – карбиды глобулярной формы. Это объясняется тем, что стали, входящие в композицию, обладают различной способностью к растворению углерода. Известно, что сталь 08Х18Н10 обладает ГЦК решеткой, что способствует растворению значительного количества углерода. Слои стали 08Х18 имеют ОЦК решетку, в которой растворимость углерода ограничена. Поэтому при диффузионном насыщении происходит следующее: в первую очередь, углерод начинает активно диффундировать по межслойной границе. При повышении его концентрации, начинает происходить отток в слои стали 08Х18Н10 из-за повышенной возможности данной решетки растворимость углерод. В результате в слоях стали 08Х18Н10 образуются карбиды глобулярной формы типа Cr23C6 . В слоях стали 08Х18 наблюдаются карбиды цементитного типа Kc (Fe,Cr)3C (рис.2).

 

а) Сталь 08Х18Н10

(карбиды глобулярной формы типа Cr23C6)

б) Сталь 08Х18

(карбиды цементитного типа Kc)

 

 

Рисунок 2 -  Форма карбидных включений в сталях 08Х18Н10 и 08Х18

 

Согласно изотермическому разрезу тройной диаграммы состояния Fe-C-Cr, можно увидеть, что карбиды данного типа наблюдаются в одной области (рис. 3) с повышенным содержанием углерода и пониженным хрома [5]. Это означает, что при увеличении концентрации углерода в межслойной границе происходит отток в слои стали 08Х18 с образованием карбидов хрома. Это, в свою очередь, приводит к обеднению твердого раствора данной стали и перекристаллизации с образованием γ-фазы, готовой растворить новую порцию углерода.

Рисунок 3 - Изотермический разрез при 1000 оС тройной диаграммы состояния системы Fe-C-Cr [5]

 

Таким образом, проведенными исследованиями показано влияние химического состава композиции на структуру формируемых слоев.

   Список использованных источников

1.    Плохих А.И. О возможности применения многослойных металлических материалов для деталей машин упрочняемых ХТО // Известия Волгоградского государственного технического университета. Серия Проблемы материаловедения, сварки и прочности в машиностроении. 2013. Т. 7.  № 6. С. 13-17.

2.    Polikevich K.B., Plokhikh A.I. Study of the process of nitriding in multilayer materials based on steel// Advances in composite science and technology, Moscow, 05-08 December, 2018, T. 683

3.    Petelin A.L., Plokhikh A.I. Diffusion along grain boundaries in multilayer materials//Steel in translation/ 2013, N.11, p.710-713.

4.    Petelin A.L., Plokhikh A.I.,Novikov A.A. The Model of the Layer Boundary Diffusion in Multil ayer Materials //Defect and Diffusion Forum - 2015 . Т. 363. С.142 – 147.

5.    Специальные стали: пер. с нем. / Э. Гудремон; Под ред. чл.-кор. АН СССР А.С. Займовского [и др.].  Москва: Металлургия, 1966. Т.1. 1966. 736 с