Влияние продолжительности боромеднения на толщину диффузионного слоя и микротвердость углеродистых и легированных сталей
- Авторы: Лысых С.А.1, Корнопольцев В.Н.1, Мишигдоржийн У.Л.1, Хараев Ю.П.1, Тихонов А.Г.1, Иванцивский В.В.1, Вахрушев Н.В.1
-
Учреждения:
- Выпуск: Том 25, № 1 (2023)
- Страницы: 131-148
- Раздел: МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
- URL: https://ogarev-online.ru/1994-6309/article/view/301421
- DOI: https://doi.org/10.17212/1994-6309-2023-25.1-131-148
- ID: 301421
Цитировать
Аннотация
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.
Об авторах
С. А. Лысых
Email: lysyh.stepa@yandex.ru
Институт физического материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук, ул. Сахьяновой 6, г. Улан-Удэ, 670047, Россия, lysyh.stepa@yandex.ru
В. Н. Корнопольцев
Email: kompo@mail.ru
канд. техн. наук, Байкальский институт природопользования Сибирского отделения Российской академии наук, ул. Сахьяновой 6, г. Улан-Удэ, 670047, Россия, kompo@mail.ru
У. Л. Мишигдоржийн
Email: undrakh@ipms.bscnet.ru
канд. техн. наук, Институт физического материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук, ул. Сахьяновой 6, г. Улан-Удэ, 670047, Россия, undrakh@ipms.bscnet.ru
Ю. П. Хараев
Email: kharaev@inbox.ru
доктор техн. наук, доцент, Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления, ул. Ключевская 40В, г. Улан-Удэ, 670013, Россия, kharaev@inbox.ru
А. Г. Тихонов
Email: tihonovalex90@mail.ru
Иркутский национальный исследовательский технический университет, ул. Лермонтова 83, г. Иркутск, 664074, Россия, tihonovalex90@mail.ru
В. В. Иванцивский
Email: ivancivskij@corp.nstu.ru
доктор техн. наук, Доцент, Новосибирский государственный технический университет, пр. К. Маркса, 20, г. Новосибирск, 630073, Россия, ivancivskij@corp.nstu.ru
Н. В. Вахрушев
Email: vah_nikit@mail.ru
Новосибирский государственный технический университет, пр. К. Маркса, 20, г. Новосибирск, 630073, Россия, vah_nikit@mail.ru
Список литературы
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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).
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- Лахтин Ю.М., Арзамасов Б.Н. Химико-термическая обработка металлов. – М.: Металлургия, 1985. – 256 с.
- Лабунец В.Ф., Ворошнин Л.Г., Киндарчук М.В. Износостойкие боридные покрытия. – Киев: Техника, 1989. – 253 с.
- 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.
- 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.
Дополнительные файлы
