Структура и свойства слоя, наплавленного на сталь ХАРДОКС 450 борсодержащей проволокой

Методами современного физического материаловедения выполнен анализ структурно-фазовых состояний и свойств слоев, сформированных на низкоуглеродистой стали Хардокс 450 наплавочными проволоками с содержанием бора 4,5 и 6,5 % (по массе). В исходном состоянии сталь Хардокс 450 имеет структуру отпущенного мартенсита, в объеме и по границам кристаллов которого расположены частицы цементита. Частицы, расположенные в объеме, имеют игольчатую форму, а по границам – преимущественно округлую. Выявленные экстинкционные изгибные контуры свидетельствуют о кривизне кручения кристаллической решетки данного участка материала, начинаются и заканчиваются на границах раздела кристаллов мартенсита. Скалярная плотность хаотически распределенных дислокаций и формирующих сетчатую субструктуру составляет 6,2·1010 см–2. Микротвердость наплавленного на сталь Хардокс 450 слоя более чем в два раза превышает микротвердость основы. Анализ диаграмм состояния систем Fe – C, Fe – B, B – C и политермических сечений в системе Fe – C – B показал, что быстрое охлаждение из жидкого состояния сплавов Fe23C6 – Fe23B6 способствует образованию многофазных структурных состояний. Методами просвечивающей электронной дифракционной микроскопии установлено, что причинами высокой микротвердости поверхностных слоев являются: образование боридов железа и кристаллов ультрамелкодисперсного (до 100 нм) пакетного мартенсита с высокой (~1011 см–2) скалярной плотностью дислокаций; наличие в объеме и по границам кристаллов мартенсита наноразмерных частиц карбидов железа и бора; высокий уровень кривизны кручения кристаллической решетки боридов железа и зерен α-фазы, обусловленный внутренними полями напряжений вдоль межфазных (границы раздела кристаллов боридов железа и зерен α-фазы) и внутрифазных (границы раздела боридов железа и кристаллов мартенсита в пакете) границ. Увеличение концентрации бора от 4,5 до 6,5 % сопровождается значительным (в 1,2 – 1,5 раза) повышением твердости наплавляемого слоя, что обусловлено увеличением размеров и относительного содержания областей боридов железа в 1,5 – 2,0 раза.

1. Gromov V.E., Kapralov E.V., Raikov S.V., Ivanov Yu.F., Budovskikh E.A. Structure and properties of the wear-resistant coatings fused on steel with flux cored wires by an electric arc method // Progress in Physics of Metals. 2014. Vol. 15. No. 4. P. 213 – 234.

2. Райков С.В., Капралов Е.В., Иванов Ю.Ф., Будовских Е.А., Громов В.Е. Строение по глубине износостойкого покрытия, полученного электродуговым методом на стали // Изв. вуз. Черная металлургия. 2015. Т. 58. № 2. С. 121 – 126.

3. Raykov S.V., Kapralov E.V., Vaschuk E.S., et.al. Structure of the Surface Layer of a Wear-Resistant Coating after Treatment with a High-Intensity Electron Beam // Journal of Surface Investigation. X-ray, Synchrotron and Neutron Techniques. 2015. Vol. 9. No. 5. P. 934 – 938.

4. Kumar C.S.S.R. (Ed.) Transmission Electron Microscopy Characterization of Nanomaterials. – New York: Springer, 2014. – 717 p.

5. Barry Carter C., David B. Transmission Electron Microscopy. – Berlin: Springer International Publishing, 2016. – 518 p.

6. Egerton R.F. Physical Principles of Electron Microscopy (An Introduction to TEM, SEM, and AEM). Second Edition. – Springer International Publishing Switzerland, 2016. – 191 p.

7. Диаграммы состояния двойных металлических систем / Под ред. Н.П. Лякишева. – М.: Машиностроение, 1996 – 2000. Т. 1-3.

8. Villars P., Calevrt L.D. Pearson’s Hanbook of Crystallographic Data for Intermetallic Phases. Vols. 1-3. – Ohio: Metals Park, 1986. – 3258 p.

9. Rogl P.F., Vrestal J., Tanaka T., Takenouchi S. The B-rich side of the B–C phase diagram // Calphad. 2014. Vol. 44. P. 3 – 9.

10. Khan Y., Wibbeke H. Formation of the τ-Phase in the Fe-B Alloys // Z. Metallkd. 1991. Vol. 82. No. 9. P. 703 – 705.

11. Rogl P. The System B-N-Fe. – In book: Phase Diagrams of Ternary Boron Nitride and Silicon Nitride Systems / P. Rogl, J.C. Schuster eds. – ASM, Materials Park, OH, 1992. P. 33 – 36.

12. Zhang Y.D., Budnick J.I., Sanchez, Hines W.A., Yang D.P., Livingston J.D. NMR-studies in Orthorhombic Fe3B1-ХCХ (0.1 ≤ x ≤ 0.4) // Journal of Applied Physics. 1987. Vol. 61. No. 8. P. 4358 – 4360.

13. Lentz J., Röttger A., Theisen W. Solidification and phase formation of alloys in the hypoeutectic region of the Fe–C–B system // Acta Materialia. 2015. Vol. 99. P. 119 – 129.

14. Borlera M.L., Pradelli G. On the System Fe-B-C (in Italian) // La Metallurgia Italiana. 1968. Vol. 60. No. 3. P. 140 – 146.

15. Счастливцев В.М., Мирзаев Д.А., Яковлева И.Л. Структура термически обработанной стали. – М.: Металлургия, 1994. – 288 с.

16. Бернштейн М.Л., Капуткина Л.М., Прокошкин С.Д. Отпуск стали. – М.: МИСИС, 1997. – 336 с.

17. Курдюмов В.Г., Утевский Л.М., Энтин Р.И. Превращения в железе и стали. – М.: Наука, 1977. – 236 с.

18. Иванов Ю.Ф., Козлов Э.В. Электронно-микроскопический анализ мартенситной фазы стали 38ХН3МФА // Изв. вуз. Черная металлургия. 1991. № 8. С. 38 – 41.

19. Электронная микроскопия тонких кристаллов / П. Хирш, А. Хови, Р. Николсон, Д. Пэшли, М. Уэлан. – М.: Мир, 1968. – 574 с.

20. Структурно-фазовые состояния и механизмы упрочнения деформированной стали / Ю.Ф. Иванов, В.Е. Громов, Н.А. Попова, С.В. Коновалов, Н.А. Конева. – Новокузнецк: Полиграфист, 2016. – 510 с.

21. Конева Н.А., Козлов Э.В. Природа субструктурного упрочнения // Изв. вуз. Физика. 1982. № 8. С. 3 – 14.

22. Конева Н.А., Козлов Э.В., Тришкина Л.И., Лычагин Д.В. Дальнодействующие поля напряжений, кривизна-кручение кристаллической решетки и стадии пластической деформации. Методы измерений и результаты. – В кн.: Новые методы в физике и механике деформируемого твердого тела. Сб. трудов международной конференции. – Томск: ТГУ, 1990. С. 83 – 93.

23. Иванов Ю.Ф. Исследование дислокационной субструктуры кристаллов мартенситной фазы конструкционных сталей, подвергнутых различным режимам термической обработки. – В кн.: Сб. трудов «Эволюция дислокационной структуры, упрочнение и разрушение сплавов». – Томск: ТГУ, 1992. С. 52 – 59.

24. Закаленная конструкционная сталь: структура и механизмы упрочнения / Ю.Ф. Иванов, Е.В. Корнет, Э.В. Козлов, В.Е. Громов. – Новокузнецк: изд. СибГИУ, 2010. – 174 с.