автореферат диссертации по металлургии, 05.16.06, диссертация на тему:Диффузионное борирование горячедеформированных порошковых материалов на основе железа

НОВОЧЕРКАССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

СЕЛЕВЦОВА ИРИНА ВАЛЕРЬЕВНА

ДИФФУЗИОННОЕ БОРИРОВАНИЕ ГОРЯЧЕДЕФОРМИРОВАННЫХ ПОРОШКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ЖЕЛЕЗА

Специальность 05.16.06 - "Порошковая металлургия

и композиционные материалы"

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ:

доктор технических наук, профессор ДОРОФЕЕВ В. Ю.

Новочеркасск - 1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение........................................................................................................4

1. Литературный обзор.................................................................................7

1.1. Бор как легирующий элемент материалов на

железной основе..................................................................................7

1.2. Характеристика основных способов поверхностного упрочнения........................................................................................16

1.3. Методы диффузионного насыщения стали бором...................20

1.4. Диффузионное борирование порошковых материалов............27

1.5. Выводы, цели и задачи исследования.......................................32

2. Материалы, оборудование и методики проведения

исследований................................................................................................36

2.1. Исходные материалы и технология изготовления

образцов.............................................................................................36

2.2. Материалы, оборудование и технология диффузионного борирования.......................................................................................39

2.3. Методики исследования структуры материалов......................41

2.3.1. Микроструктурный анализ............................................41

2.3.2. Микрорентгеноспектральный анализ...........................42

2.3.3. Качественный рентгенофазовый анализ......................45

2.4. Исследование износостойкости и

физико-механических свойств..........................................................46

2.5. Методика химического никелирования....................................60

2.6. Испытания на коррозионную стойкость...................................62

2.7. Оптимизация технологии диффузионного борирования.........63

3. Исследование процессов диффузионного борирования порошковых материалов на железной основе...........................................67

3.1. Характеристика структурных составляющих борированных порошковых материалов..........................................68

3.2. Исследование кинетики диффузионного борирования порошковых материалов на основе железа......................................84

3.3. Влияние режимов ГШ на показатели качества поверхностного

слоя и свойства борированных порошковых материалов.............102

3.4. Определение влияния технологических параметров на толщину диффузионного слоя методом математического планирования ... 116

3.5. Выводы......................................................................................121

4. Исследование свойств борированных порошковых материалов........126

4.1. Износостойкость борированных порошковых материалов .... 127

4.2. Износостойкость борированных порошковых материалов после термической обработки ..................................................................140

4.3. Механические свойства борированных порошковых материалов.......................................................................................151

4.4. Исследование коррозионной стойкости борированных материалов.......................................................................................163

4.5. Выводы......................................................................................174

5. Промышленная реализация результатов исследований......................179

Общие выводы..........................................................................................191

Библиографический список использованных источников......................195

Приложения...............................................................................................208

ВВЕДЕНИЕ

Порошковая металлургия (ПМ) является динамично развивающейся областью науки и техники. Выпуск порошков и изделий на их основе имеют тенденцию устойчивого роста. По данным [1] выпуск железного порошка в Северной Америке в 1996 году составил 318 тыс. т. Прогнозируется его ежегодный рост до 2005 г. на уровне 4-6 % [2]. Основным потребителем порошковых изделий является автомобильная промышленность, на долю которой в 1996 г. приходилось 69 % всего объема выпуска продукции ПМ. Однако, как отмечается в [3], потенциал дальнейшего роста велик в связи с тем, что средняя масса порошковых деталей составляет всего 1 % от массы автомобиля.

Дальнейшее расширение номенклатуры изделий ПМ зависит от разработки эффективных и конкурентоспособных методов повышения их эксплуатационных свойств. Среди таких методов следует назвать, прежде всего, горячую штамповку (ГШ) пористых заготовок, которая хорошо зарекомендовала себя как простой и надежный способ получения высокоплотных порошковых изделий [4]. В последние годы были разработаны технологии теплого прессования [5], избирательного уплотнения наиболее ответственных зон изделий, в частности, поверхности зубьев шестерен [6], а также высокоплотного спекания [7]. В последнем случае в результате однократного цикла прессования-спекания на

о л

железных материалах достигается плотность 7,75-10 кг/м . Столь высокий результат вызвал не совсем обоснованные прогнозы, приводимые в некоторых работах [2], о том, что в перспективе этот метод заменит ГШ при изготовлении шатунов - деталей, наиболее широко производимых в настоящее время с применением горячей допрессовки. В частности, только в США горячештампован-ные порошковые шатуны устанавливаются в 13 двигателях фирм "большой тройки" (Ford, General Motors, Chrysler) [8].

Следует отметить, что в работах [6], подробно описывающих возможности высокоплотного спекания, приводятся данные, ставящие под сомнение широкое практическое использование этого метода. В частности, указывается на необходимость обеспечения плотности холоднопрессованной заготовки на уровне 7,0-103 кг/м3. Как известно, достижение такой плотности требует приложения больших давлений, вызывающих повышенный износ инструмента. Кро-

ме того, последующее спекание сопровождается 3-4% -ной усадкой, при которой трудно соблюсти высокую точность изделий. Интересно заметить в этой связи, что на фоне возникших сомнений о перспективах ГШ прошло сообщение [9] о пуске в первой половине 1998 г. фирмой "Borg-Warner Automotive" двух новых линий по ГШ шатунов в дополнение к пяти имевшимся. По мнению Д. Уиттакера, известного специалиста, занимающегося вопросами внедрения ПМ в производство изделий для автомобилей, ГШ пористых заготовок на сегодняшний день - основной метод получения тяжелонагруженных шестерен дифференциала, шатунов, деталей автоматической коробки передач [3].

Приведенные выше обстоятельства свидетельствуют об острой конкуренции, в условиях которой происходит внедрение ГШ в производство изделий. Очевиден и другой факт: то важное преимущество метода, которое на протяжении последних 20-30 лет предопределяло его эффективность и было связано со сравнительной простотой обеспечения беспористого состояния, в настоящее время отходит на второй план. Первостепенное значение приобретают возможности расширения применения метода с целью повышения эксплуатационных свойств деталей.

Перспективным в этом отношении представляется использование химико-термической обработки (ХТО). До настоящего времени применение ХТО при производстве порошковых деталей ограничивалось, главным образом, цементацией, нитроцементацией и парооксидированием. В случае получения изделий методом "пресования-спекания" иногда использовалось хромирование, бориро-вание, силицирование [10]. Однако, применительно к горячедеформированным порошковым материалам борирование практически не изучалось. Такое положение связано с рядом объективных и субъективных причин. К первым следует отнести, прежде всего, большую твердость и хрупкость борированного слоя, его повышенную чувствительность к неоднородности прочностных свойств под-слойной зоны, способствующей продавливанию слоя боридов под воздействием нагрузки, недеформируемость при обычных температурах обработки давлением. В числе субъективных причин следует отметить тот факт, что проведенные в 70-80-х гг. исследования свойств борированных горячедеформированных порошковых материалов (ГДПМ) не дали положительного результата. Это обусловлено трудностью решения проблем первой группы. Представляется, одна-

ко, что не была проведена должным образом оптимизация ни режимов бориро-вания, ни условий ГШ, не исследовались возможности рационального построения технологических операций при получении ГДПМ.

Опыт использования бора для легирования порошковых материалов свидетельствует о его положительном влиянии на процесс консолидации пористой заготовки при спекании за счет образования жидких эвтектических зон, способствующих аккомодации частиц и рафинированию их поверхностей от оксидных пленок. К сожалению, при изучении борирования порошковых материалов большие потенциальные возможности по улучшению качества межчастичных границ, а также деформируемости поверхностных слоев заготовки за счет присутствия жидкой фазы использованы не были. Между тем, повышение температур диффузионного насыщения и ГШ до эвтектических представляется перспективным методом получения высокоплотных борированных ГДПМ. Однако сведения по выбору рациональных технологических схем и режимов получения таких материалов в литературе отсутствуют. Решение этой задачи позволит расширить номенклатуру изделий из ГДПМ, увеличив их износо- и коррозион-ностойкость, о чем свидетельствует широкое использование борирования компактных материалов. Оно применяется при производстве роликов, втулок, зубчатых колес, форсунок и других деталей, работающих в условиях абразивного и коррозионно-абразивного изнашивания [11]. Высказанные соображения определили необходимость проведения специальных исследований, которые были осуществлены на кафедрах "Материаловедение и технология материалов" и "Технология машиностроения" НГТУ. Работа была выполнена в соответствии с заданиями межвузовской инновационной научно-технической программы Российской Федерации "Исследования в области порошковой технологии" (темы 94/16Т и 95/5И), межвузовской научно-технической программы "Перспективные материалы" (тема 95/17Ф) и госбюджетной темы 49.94 "Фундаментальные исследования в области формирования структуры и свойств порошковых материалов, а также их формирования при горячей обработке давлением" на 1994-98 гг.

1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1. БОР КАК ЛЕГИРУЮЩИЙ ЭЛЕМЕНТ МАТЕРИАЛОВ НА ЖЕЛЕЗНОЙ ОСНОВЕ

Содержание бора во многих современных конструкционных сталях незначительно и составляет 0,001-0,02%. Применение борсодержащих сталей положило начало учению о микролегировании сплавов. Небольшие добавки бора вызывают значительное измельчение зерен, резкое улучшение прокаливаемо-сти, повышение жаропрочности в результате упрочнения границ зерен борида-ми. Возрастает твердость и износостойкость, горячая пластичность слитков, улучшается свариваемость жаростойких аустенитных сталей. Кроме того, бор повышает критическую точку Асз, и чем ниже содержание углерода, тем сильнее влияние бора. На положение точки Ас] бор влияния не оказывает [12-14].

Интересно влияние бора на кристаллизацию стали. Модифицирование бором увеличивает скорость зарождения центров кристаллизации, уменьшает степень переохлаждения стали и повышает скорость ее затвердевания. Введение бора до 0,1% резко снижает поверхностное натяжение стали. Этот эффект приводит к адсорбции бора на границах растущих зерен и замедлению линейной скорости роста кристаллов и, в соответствии с этим, к измельчению структуры. Зона столбчатой кристаллизации сокращается, структура становится однородной и мелкозернистой, улучшаются пластические свойства. Дальнейшее увеличение концентрации бора вызывает образование бористой составляющей эвтектического характера и охрупчивание [15].

Специфическое влияние бора на прокаливаемость связано с изменением в границах зерен. Установлена поверхностная активность (горофильность) бора относительно железа. Будучи растворен в малом количестве, бор распределяется неравномерно, сосредоточиваясь по границам зерен. Так как атомы бора меньше атомов железа, то бор, занимая свободные вакансии по границам зерен, не увеличивает, а уменьшает искаженность кристаллической решетки и тем самым повышает работу зародышеобразования новой фазы.

Известное воздействие на торможение образования феррита по границам зерен в бористых сталях оказывает также большая прочность связей атомов ВС, которые замедляют обеднение границ зерен аустенита углеродом. Повыше-

ние содержания углерода в бористой стали оказывает нейтрализующее влияние на ее прокаливаемость, что обусловлено образованием карбидов бора и карбо-боридов. Переход бора по границам зерен из твердого раствора в химическое соединение снижает его влияние на прокаливаемость стали. Выпадение по границам зерен мелкодисперсной боридной фазы также способствует понижению прокаливаемости в результате искажения решетки и зародышевого действия мелких частиц этой фазы. Кроме того, увеличение содержания в стали углерода снижает возможное количество феррита, уменьшает зону влияния бора и, тем самым, эффективность его воздействия на прокаливаемость. Наибольшее усиление прокаливаемости под влиянием бора наблюдается для низкоуглеродистой доэвтектоидной стали. Максимальная прокаливаемость наблюдается у стали, содержащей 0,6% С. Для заэвтектоидных сталей эффект влияния бора отрицательный. Для сталей с 0,4-0,75% С действие бора снижается пропорционально содержанию углерода в стали.

Таким образом, бор не влияет на прокаливаемость стали с содержанием углерода 0,9% и выше, но обладает значительной эффективностью в составе улучшаемой стали. Следует заметить, что несмотря на увеличение прокаливаемости, бор не оказывает влияния на образование трещин при закалке [16].

Эффективность влияния бора снижается и с возрастанием температуры нагрева под закалку. При повышенной температуре увеличивается растворимость бора и в результате поверхностной активности концентрация в граничных зонах увеличивается вплоть до значений, превосходящих максимально возможную растворимость бора в аустените с выделением избыточной фазы БегВ. По этим же причинам наблюдается экстремальное влияние возрастающего содержания бора в стали на ее прокаливаемость. Увеличение содержания бора свыше 0,004% уже не сказывается на прокаливаемости и даже несколько уменьшает ее.

Интервал оптимальных концентраций бора весьма узок и в основном находится в пределах 0,001-0,0025%. В этих количествах действие бора эквивалентно действию присадки 1,33% № + 0,31% Сг + 0,04% Мо. Действие 0,002% В на прокаливаемость равнозначно влиянию 1,5% №. Эквивалентное содержание бора различно для разных сталей и зависит от состава и соотношения элементов [17,18].

Добавка бора к легированным сталям позволяет значительно снизить степень их легированности такими элементами, как хром, никель, марганец и молибден, при одновременном сохранении необходимого уровня прокаливаемости и других механических свойств. Добавка бора до 0,003% увеличивает предел упругости и позволяет создавать борсодержащие рессорно-пружинные стали такие как, 55ХГР и 55СГ2Р. Повышение содержания бора приводит к выделению боридной фазы и обеднению бором скоплений вокруг дислокаций, что снижает предел упругости.

Борсодержащие углеродистые стали с успехом заменяют марганцовистые, имеющие повышенную склонность к образованию трещин при термообработке. Добавка 0,002-0,005% В позволяет освободиться от дефицитных легирующих элементов - молибдена и никеля - и заменить дорогостоящую цементуемую сталь 20ХНМ, идущую на изготовление тяжелонагруженных деталей, более дешевой 20ХГР. Бористая сталь обладает более высокой прочностью и после цементации приобретает более высокую твердость. Цементованная поверхность содержит меньшее количество остаточного аустенита, что значительно повышает износоустойчивость и долговечность деталей из стали 20ХГР [20].

В стали Х15Н25 кроме увеличения прокаливаемости адсорбционные слои бора затрудняют процесс растворения избыточных карбидов, при закалке и их выделения при старении. Образование адсорбционного слоя на границе раздела зерен сопровождается тем, что активные участки поверхностей раздела оказываются уже занятыми и процессы растворения карбидов при закалке, а также обратное выделение в результате миграции на внутренние поверхности при старении оказываются невозможными [21].

Легирование бором в пределах 0,4-0,7% аустенитных сталей с карбидным (Х18Н12Б) и интерметаллидным (10Х16Н25В5Ю2Т) упрочнением повышает прочностные свойства. Характеристики длительной прочности аустенитнобо-ридных сталей при 650-700°С значительно превосходят таковые для аналогичных сталей без бора. Кроме того, для сталей с боридным упрочнением характерна высокая длительная пластичность, не уменьшающаяся с увеличением продолжительности испытаний. Высокая длительная пластичность аустенитно-боридных сталей (Х18Н12БР, Х15Н24В4Т2Р, 10Х16Н25В5102ТР) обусловлена

высокой ста�