Технологические способы борирования изделий из нержавеющих сплавов работающих в агрессивных условиях

Введение. Известно, что эффективным способом повышения физико-механических свойств спеченных материалов, а также придания им комплекса требуемых эксплуатационных характеристик является химико-термическая обработка [1–4]. Борирование спеченных материалов позволяет повысить их твердость, износостойкость, а также кислото- и теплостойкость [3–5]. Ранее [6] был исследован процесс борирующего спекания порошков нержавеющих сталей в смеси карбида бора с бурой в защитной среде осушенного водорода. Это позволило создать корозионно- и износостойкую борированную пару трения, предназначенную для работы в агрессивных жидких средах. Однако для внедрения того или иного вида химико-термической обработки в производство важное значение приобретает сохранение надежности (стабильности) и простоты технологии при переходе от лабораторных к производственным условиям.

Целью работы является исследования процесса борирования при различных температурах, проведение микроструктурного анализа поверхностного слоя, а также исследование процесса спекания пористых заготовок их стали ПХ23Н18 совместно с порошком карбида бора в контейнерах с плавким затвором. Необходимо установить зависимости изменения удельного сопротивления, механических свойств от плотности получаемых прессовок и способа борирующего спекания.

Постановка задачи. Для создания износостойких деталей, обладающих высокими технологическими и механическими свойствами, необходимо обеспечить надежную химико-термическую технологию, которая будет внедрена в производство. Для этого необходимо проведение серии экспериментальных работ по определению зависимостей механических и технологических свойств от способа борирования, пористости образцов.

Теоретическая часть. Технология борирующего спекания пористых заготовок в засыпке из смеси карбида бора с бурой для производственных условий сложна, так как извлечение деталей из спекшейся засыпки (за счет плавления и кристаллизации буры) и их очистка от налипшей буры и карбида бора представляет определенные трудности. Кроме того, такую засыпку перед повторным употреблением необходимо размалывать и дошихтовывать свежей смесью. Поэтому необходимо было исследовать возможность замены, спекающейся борирующей засыпки на неспекающуюся.

В работах [7–9] установлено, что при борировании литых сталей в техническом карбиде бора образуется плотный боридный слой, порошок не спекается и может быть многократно использован без каких-либо дополнительных операций.

Однако борирующее спекание в карбиде бора в проточном осушенном водороде с точкой росы –30°С пористых образцов из стали ПХ23Н18 привело к их частичному отслоению.

Рис. 1. Зависимость изменения удельного электросопротивления (а), прочности при срезе (б) и ударной вязкости (в) стали ПХ23Н18 от начальной пористости и способа борирования:

1 — образец содержищий буру, спекание в токе водорода с точкой росы –30°С; 2 — образец прокаленный В₄С, спекание в контейнерах с плавким затвором; 3 — образец прокаленный В₄С, спекание в токе водорода с точкой росы –30°С

Об этом свидетельствует пониженная прочность и более высокое электросопротивление образцов, подвергнутых борирующему спеканию в карбиде бора (рис.1 а, кривая 3), по сравнению с образцами прошедшими тот же режим борирующего спекания, но в засыпке, содержащей буру (кривая 1). Поэтому представлялось целесообразным применить для борирующего спекания в карбиде бора контейнеры с плавким затвором, которые, как показано в [10], позволяют спекать нержавеющую сталь без следов окисления. Образцы их нержавеющей стали ПХ23Н18 (размером 5×4×40 мм) разной пористости спекали в атономной газовой среде (в контейнере с плавким затвором) в засыпке из карбида бора.

Исследование глубины боридного слоя, прочности при срезе, ударной вязкости и электросопротивления образцов, подвергнутых борирующему спеканию, показывает (рис. 1 а, кривые 1–3), что эти характеристики, несмотря на идентичную температуру и время выдержки, существенно зависят от совокупности свойств борирующей засыпки и защитной среды.

Исследования режима борирования проводили при различных температурах. Образцы нагревали до температур 1050–1150°С с шагом в 50°С.  Время обработки при всех температурах составляло 240 сек, плотность тока — 0,4–0,7 А/см².

Анализ полученных данных, показывает, что при нагрев образцов до температуры 1150°С способствовал формированию боридной эвтектики, микротвердость которой составляет 16 Гпа (светлые зоны) и ферритокарбидной основы микротвердость которой равна 5 ГПа (рис. 2). Далее следует переходный науглероженный подслой, за которым формируется исходная феррито-перлитная структура образца.

Рис. 2. Боридная эвтектика и исходная феррито-перлитная структура образца после нагрева до температуры 1050°С

Для определения содержания элементов в боридной эвтектике и ферритокарбидной основе слоя был выполнен микрорентгеноспектральный анализ. Изображения борированного слоя, полученные на сканирующем электронном микроскопе, представлено на рис. 3.

Рис. 3. Микроструктура боридной эвтектики после нагрева до температуры 1050°С, полученная на сканирующем электронном микроскопе

Рентгеновским фазовым анализом (РФА) показано присутствие в диффузионном слое борированного образца боридов Fe₂B и цементита Fe₃C (рис. 4). Кроме того, на дифрактограмме обнаружены рентгеновские дифракционные линии карбида бора B_11,5C_2,85 с соотношением B:C, несколько отличающимся от нормальной стехиометрии карбида B₄C.

Рис. 4. Рентгеновская дифрактограмма поверхности образца после борирования

Результатами эксперимента показано, что при нагреве образцов до температуры 1250°С боридного слоя выявлено не было (рис. 5). При макроструктурном анализе поверхности образцов были выявлены следующие дефекты в виде проплавления торцов и радиальной поверхности (изменение диаметра составило 0,5 мм в месте нагрева и 0,3 мм на торцах). Данное обстоятельство объясняется тем, что под действием высокой температуры образовавшаяся боридная эвтектика подплавляется и смещается к краю образца (к торцу). При отсутствии боридного слоя микротвердость стального материала составила 3,5 Гпа.

Рис. 5 Микроструктура поверхности стального образца, полученного при температуре 1250°С

Анализ экспериментальных данных показал, что образованные боридные слои на рассматриваемом материале имеют эвтектическую основу. При этом образцы подвергались температурному воздействию в течении 240 секунд. Образцы, нагретые до температуры 1160°С, имеют большую концентрацию бора на границах зерен, вследствие чего образуется больше жидкой фазы, которая способствует формированию более качественного слоя. В диапазоне температур 1050–1150°С на поверхности образцов получается боридный слой с местами боридной эвтектики по зернограничным участкам твердого раствора бора и углерода в Feα. Дальнейший рост температуры приводит к перенасыщению поверхностных границ бором до состояния максимальной эвтектической концентрации, подплавлению боридной эвтектики и ее зернограничному проскальзыванию.

В отличие от борирующего спекания в проточном водороде, спекание в контейнере с плавким затвором в автономной газовой среде, создаваемой разлагающимися при нагреве добавками (например, парафином или гидридом титана), позволяет полностью предохранить пористую нержавеющую сталь от окисления и способствует переносу массы как в результате насыщающей диффузии бора в неспеченный пористый материал по порам и границам зерен внутрь изделия, так и за счет собственно спекания. Наибольшую прочность при срезе имеют образцы, подвергнутые борирующему спеканию в контейнере с плавким затвором в неспекающейся борирующей засыпке (рис.1, кривая 2).

Выводы. Помимо температурного воздействия на значение межчастичного подплавления поверхности материала большое воздействие оказывает и время выдержки образцов при рассматриваемых температурных. При увеличении температуры процесса борирования происходит перенасыщение бором до максимальной эвтектической концентрации и ее зернограничному проскальзыванию.  Очевидно, что для получения качественных слоев с участками боридной эвтектики по зернограничным участкам ферритокарбидной матрицы следует производить постоянный контроль температуры процесса и время выдержки материала при заданной температуре.

Полученные результаты испытаний показывают, что повышение прочности у образцов, подвергнутых борирующему спеканию в автономной газовой среде, произошло благодаря отсутствию окисления и глубинного насыщения бором (объемного упрочнения) посредством парогазовой фазы [11, 12]. Применение контейнерной (автономной) технологии для борирующего спекания пористых нержавеющих сталей в неспекающейся борирующей засыпке позволяет не только упростить технологию, но и обеспечить сохранение свойств материала, независимо от наличия в термическом цехе защитной газовой среды.

Поступила в редакцию 10.06.2022

Поступила после рецензирования 27.07.2022

Принята к публикации 27.07.2022

Об авторах:

Егоров Максим Сергеевич, заведующий кафедрой «Инженерная и компьютерная графика» Донского государственного технического университета (344003, РФ, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1), кандидат технических наук, доцент, ORCID, aquavdonsk@mail.ru

Домбровский Юрий Маркович, профессор кафедры «Физическое и прикладное материаловедение» Донского государственного технического университета, (344003, РФ, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1), доктор технических наук, профессор, ORCID, yurimd@mail.ru

Егорова Римма Викторовна, доцент кафедры «Кибербезопасность» Донского государственного технического университета (344003, РФ, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1), кандидат технических наук, доцент, ORCID, rimmaruminskaya@gmail.com

Цорданиди Геогрий Георгиевич, доцент кафедры «Инженерная и компьютерная графика» Донского государственного технического университета (344003, РФ, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1), кандидат технических наук, доцент, ORCID, f972@yandex.ru

Заявленный вклад соавторов:

М. С. Егоров — формирование основной концепции, цели и задачи исследования, проведение расчетов, подготовка текста, формирование выводов; Ю. М Домбровский — формирование основной концепции, цели и задач исследования, научное руководство, подготовка текста, формирование выводов; Г. Г. Цорданиди — проведение расчетов, анализ результатов исследований, доработка текста, корректировка выводов; Р. В. Егорова — научное руководство, анализ результатов исследований, доработка текста, корректировка выводов.