Воронежский государственный технический университет

УДК 539.219.2

В.Н. Гадалов, А. С. Борсяков, Ю.Г. Алёхин, В.В. Ванеев

Нелинейная самоорганизация и морфология боридных фаз в армко-железе

Борирование относится к наиболее перспективному технологическому приему, повышающему эксплуатационные характеристики стальных изделий. Однако прочность боридных слоев при ударных нагрузках оказывается недостаточной, что ограничивает спектр функциональных характеристик борированных деталей. С одной стороны это является неизбежным для высокотвердых фаз, обладающих высоким модулем упругости и малой пластичностью, а с другой стороны, повышенная хрупкость борированного слоя обусловлена его морфологией.

Металлографический анализ боридных покрытий показывает, что образующиеся фазы имеют в основном игольчатую форму с ортогональной ориентацией главной оси к поверхности образца и, тем самым, могут являться концентраторами ударных нагрузок. Создание технологических методов, позволяющих управлять текстурой роста боридных фаз, позволило бы повысить ударные характеристики изделий. С этой целью изучалась кинетика диффузионного насыщения образцов армко-железа при электролизном борировании. Для расчета кинетики роста боридной фазы использовалась модель, предложенная в работе [1], согласно которой рост боридной иглы происходит за счет диффузии бора по объему боридной фазы и межфазной границе. Диффузия бора в окружающей боридную фазу матрице, являющейся твердым раствором железо-бор, не учитывается из-за малой растворимости бора.

Концентрацию бора C_R=C(R,z,t) на межфазной границе можно определить из уравнения поверхностной диффузии. В объеме боридной фазы концентрация бора C=C(r,z,t) определяется из уравнения:

. (1)

На подвижной границе z=η(t) уравнение баланса количества вещества запишется в виде:

, (2)

где J_V и J_S - диффузионные потоки бора к границе роста боридной фазы соответственно по объему боридной фазы и межфазной границе;

; ; (3)

Здесь - средняя концентрация бора в боридной фазе.

Решение уравнений диффузии в условиях преобладающей диффузии бора по межфазной границе, когда J_S>>J_V, показало, что рост боридной иглы происходит по закону и параметр скорости роста боридной фазы β при сделанных предположениях не зависит от отвода бора в объеме.

На основании полученных результатов можно сделать вывод, что для получения равноосной структуры боридной фазы, исключающей игольчатую морфологию, необходимо создание условий для бокового роста боридной фазы либо за счет диффузии бора из твердого раствора, либо за счет избыточной концентрации бора в боридной фазе.

Литература

1. Исаков М.Г., Прусаков Г.М., Щербицкий Г.В. Исследование кинетики роста боридов в системах Fe-ВиРе-В-С/ Из. АН СССР. Сер. Металлы. 1987. № 1.С. 185-190.

Курский государственный технический университет

Воронежский государственный технический университет

УДК. 621.793.72

В.Н. Гадалов, Ю.Г. Алехин, В.В. Ванеев, Б.В. Павлов

Электрофизические покрытия из самофлюсующихся легированных сплавов на никельхромовой основе с повышенными эксплуатационными характеристиками

Актуальность упрочнения деталей машин и инструмента в различных отраслях промышленности общеизвестна и не требует особых доказательств. Широко в настоящее время для этих целей применяется электроискровая обработка.

Электроискровое нанесение износостойких защитных покрытий является одной из ресурсосберегающих технологий, позволяющих повысить долговечность машин и механизмов. Несмотря на повышенный интерес к таким покрытиям, многие вопросы, связанные с изучением их формирования, взаимодействия продуктов эрозии компактных и порошковых электродов и материалом основы, влияния структурно-фазовых изменений исходных материалов на физико-механические свойства, в том числе и сопротивление усталости системы «покрытие-основа», остаются нерешенными. Это приводит к ограниченному применению данной технологии.

Общеизвестны возможности и перспективы метода электроискрового легирования (ЭИЛ) и его разновидностей локального электроискрового нанесения покрытий (ЛЭНП) и электроакустического нанесения покрытий (ЭЛАНП), позволяющих наносить слои практически из любых токопроводящих материалов на поверхности сложной конфигурации /1-4/.

В России и за рубежом выпускается широкая гамма порошковых самофлюсующихся твердых материалов, имеющих целевое триботехническое назначение. Среди них особое место занимают порошки на основе никеля и хрома с присадками бора и кремния, а также порошки интерметаллидов системы никель-алюминий (СТС). Материалы СТС по износостойкости в 5-30 раз превосходят конструкционные, что связано с высокой твердостью и когезионной прочностью. Важным свойством этих сплавов является способность заполировываться, чем обусловлена хорошая износостойкость их при трении без смазочного материала.

В качестве материалов для напыления используют самофлюсующиеся сплавы типа ПГ-СР2, СНГН, ВСНГН, ПН73Х16СЗРЗ, ПН70Х17С4Р4, ПГ-Н4 ТУ и ЭС 733-89 (Ni-Cr-Mo-B), ПГ-АН (7-9) ТУ и ЭС 374-83 (Ni-Fe-Cr-Si-B-С), ПГ-ХН80СР2, ПГ-ХН80СРЗ, ПГ-ХН80СР4 и др. Их рекомендуется применять для защиты поверхностей от износа при одновременном воздействии коррозионной среды и высоких температур с умеренными ударными нагрузками. Они содержат определенное количество элементов, улучшающих смачиваемость и обеспечивающих самофлюсование жидкого металла. Бор и кремний образуют с никелем и хромом легкоплавкие эвтектики с температурой плавления 950-1080°С, а также восстанавливают окисные пленки на поверхности частиц порошка и подложки с образованием боросиликатных шлаков, которые всплывают на поверхности покрытия при самофлюсовании. Эти элементы также увеличивают твердость и износостойкость сплавов, так как практически весь бор находится в сплаве боридов никеля Ni₃B и хрома СгВ и Сг₅В₃, имеющих не только высокую твердость, но и являющихся менее хрупкими, чем карбиды. Кремний увеличивает активность хрома в твердом растворе на основе никеля, способствует образованию боридов хрома (СгВ), придающих наибольшую твердость сплавам железа. Углерод находится в виде карбидов типа СгСз, Ме₂зСб и карбоборидов.

После электроискровой обработки самофлюсующее покрытие имеет микрокристаллическую структуру, содержащую метастабильные кристаллическую и аморфные фазы. Присутствие аморфных фаз подтверждается методом просвечивающейся электронной микроскопии, так на отдельных микродифракционных картинах от тонких фольг, полученных электрохимической полировкой, отсутствуют четкие дифракционные максимумы. Наблюдается лишь достаточно интенсивное размытое кольцо вокруг неотклоненного пучка электронов, а также второе и третье еще более размытые кольца значительно меньшей интенсивности, что характерно для аморфных материалов.

На рентгенограммах полученных покрытий (FeK_α - излучение) на фоне размытых диффузионных максимумов интенсивности рассеяния рентгеновских лучей наблюдаются дифракционные отражения, соответствующие кристаллическим фазам.

Как показано в нашей работе III использование для электроискрового легирования (ЗИЛ) самофлюсующихся сплавов на никельхромовой основе типа NiCr₁₇Si3B₃Ci позволяет получать покрытия, представляющие белый нетравящийся слой переменной толщины. Сформированный слой имеет мелко кристаллическую структуру сложную и неоднородную по составу, содержащую метастабильную аморфную и кристаллическую фазы.

Электроискровое легирование (ЗИЛ), в частности его разновидность локальное нанесение покрытий на установке ЭЛФА-541 (ЛЭН), и электроакустическое нанесение покрытий (ЭЛАН) на установке (ЭЛАН-3) - современные технологии упрочнения и защиты поверхностей деталей машин, технологической оснастки оборудования и режущего инструмента.

И в том и в другом случае образование покрытия, прочного сцепленного с основой, происходит в результате импульсного воздействия высококонцентрированного источника энергии. При этом упрочняемый или защищаемый объект и наносимый материал испытывают ударное воздействие. Электрический разряд при ЛЭН и электроакустический удар с электрическим разрядом при ЭЛАН приводят к ионизации и значительному повышению химической активности в зоне переноса материала - в покрытиях происходят фазовые превращения, изменяется химический состав. Цикл нанесения единичного слоя электроискрового и электроакустического покрытия - единичной порции расплава при ЛЭН и ЭЛАН, длится менее 10³ секунды. За это время успевает пройти разогрев, расплавление и затвердевание наносимого материала. Поскольку толщина слоя расплава на поверхности, как правило, массивной защищаемой детали при этом не превышает в среднем 50 мкм, скорость охлаждения его больше 10⁵ К/сек. Это позволяет использовать оба способа для получения слоев с кристаллическими метастабильными фазами и аморфной структурой.

Имеющиеся экспериментальные данные о структуре и свойствах электроискровых и электроакустических покрытий из литых жаропрочных никелевых сплавов типа ЖС и высокохромистых сплавов на никелевой основе типа ХН58МТЮ позволили выявить ряд общих закономерностей образования метастабильных фаз при ЭИЛ и ЭЛАН.

При нанесении покрытий из жаропрочных сплавов на никелевой основе с упрочняющей γ-фазой на основе Ni₃ (Al, Ti, Nb) в обоих случаях образуется пересыщенный твердый раствор углерода, алюминия, титана и др. элементов в никеле, который частично распадается при затвердевании с образованием карбидных и интерметаллидных фаз.

При ЛЭН и ЭЛАН, кроме кристаллических и метастабильных фаз -пересыщенных твердых растворов в никеле обнаружены аморфные структуры. В электроакустических покрытий аморфной фазы значительно больше чем в электроискровой.

Для ЛЭН также как и ЭЛАН покрытий характерно наличие значительной химимческой неоднородности. В обоих типах покрытий она проявляется в общих чертах морфологии строения (макро и микроструктуры), рельефа поверхности, фрактограмм изломов. Наличие и специфический характер распределения микроликваций оказывает значительное влияние на распад пересыщенных твердых растворов в монослоях расплава - затвердевшими наложившимися друг на друга каплями, образующими покрытие. Последующая термообработка композита (старение при 9000-1050 К в течение 10 часов) приводит выделению упрочняющей γ - фазы.

Выделившаяся в условиях химической неоднородности интерметаллидная фаза внутри частиц покрытия распределена неравномерно, имеет разный химический состав, форму и размер. Введение низкотемпературной обработки на атомное упорядочение (при температурах 800-850К в течении 20 часов) улучшает пространственное распределение γ -фазы.

Литература

1.  Электроискровая обработка инструментальных сталей порошковыми самофлюсующимися сплавами типа ПГ-СР/ В.Н. Гадалов, Е.В.Павлов, И.В.Павлов и др. // Медико-экологические информационные технологии - 2004: Сб. материалов VII международной научно-технической конференции (25-26 мая 2004 г.) Курск: КГТУ, 2004. - С.202-206.

2. Разработка и исследование высокоэффективных электроакустических покрытий из жаропрочных сплавов типа ЖС с целью создания композиционных материалов многофункционального назначения/В.Н. Гадалов, В.И.Серебровский, В.А.Зуев и др.// Материалы и упрочняющие технологии - 2001: Сб. публ. IX Российской научно- технической конференции (20-22 ноября 2001 г.) Курск: КГТУ, 2001. - С. 51-59.

3. Повышение эксплуатационных свойств электроакустических покрытий из жаропрочных никелевых сплавов с помощью лазерной обработки / В.Н. Гадалов, Ю.Г. Алехин, Ю.В. Болдырев и др./ Материалы и упрочняющие технологии - 2003: Сб. материалов X юбилейной Российской научно-технической конференции с международным участием, посвященной 40-летию Курского государственного технического университета (15-17 декабря 2003 г.) - Курск: КГТУ, 2003. - С. 181-189.

4. В.Н. Гадалов, В.М. Рощункин В.М. Исследования композита с подложкой из сложнолегированного материала на никелевой основе с электрофизическими покрытиями из жаропрочных сплавов типа ЖС // Вестник ВГТУ. Сер. Материаловедение. Воронеж, 2003. - С. 65-73.

Курский государственный технический университет

Воронежский государственный технический университет

УДК 621.78:535.211