Влияние параметров микродуговой цементации и борирования стали на строение диффузионного слоя

Интенсификация цементации и борирования стальных деталей достигается с помощью микродугового поверхностного легирования. Для цементации детали погружают в угольный порошок с последующим пропусканием электрического тока. Для одновременного борирования используется обмазка, содержащая диффузант. Ускорение диффузии достигается с помощью воздействия микродуговых разрядов на поверхность стали. Целью работы являлось исследование влияния параметров диффузии на толщину, структуру и фазовый состав покрытий. Образцы изготавливали из стали 20. Поверхностная плотность тока составляла 0,45 – 0,53 А/см2, продолжительность процесса 2 – 8 мин. В начале нагрева температура образцов возрастает, а затем стабилизируется на уровне 930 – 1250 °С из-за прекращения микродугообразования при выгорании угольных частиц. После цементации на поверхности образуется эвтектоидная смесь, далее расположена зона с феррито-перлитной структурой, переходящая в исходную структуру. Наибольшая толщина слоя (60 – 390 мкм) достигается через 6 – 7 мин нагрева и далее не увеличивается из-за снижения углеродного потенциала при выгорании угольных частиц. При борировании получена аналогичная зависимость: наибольшая толщина слоя (60 – 340 мкм) достигается через 6 – 7 мин и далее не увеличивается из-за истощения источника диффузанта в обмазке. При плотности тока 0,45 А/см2 слой состоит из основы (дисперсной феррито-карбидной смеси), в которой расположены мелкодисперсные включения боридов железа и карбида бора. При плотности тока 0,49 и 0,53 А/см2 слой имеет гетерогенную структуру, в основе расположены участки высокотвердой боридной эвтектики. При большой плотности тока диффузия углерода и бора по границам зерен образует тройную эвтектику Fe – C – B. При меньшей плотности тока температура поверхности ниже температуры образования эвтектики, поэтому гетерогенная структура покрытия не формируется. Полученные результаты позволяют выбирать режимы микродугового нагрева для получения требуемых параметров диффузионного слоя.

1. Ворошнин Л.Г., Менделеева О.Л., Сметкин В.А. Теория и технология химико-термической обработки: учеб. пособие. – М.: Новое знание; Минск: Новое знание, 2010. – 304 с.

2. Thermochemical Surface Engineering of Steels / Ed. E.J. Mittemeijer, M.A.J. Somers. – Woodhead Publishing, 2015. – 827 p.

3. Czerwinski Fr. Thermochemical Treatment of Metals. – INTECH Open Access Publisher, 2012. – 418 p.

4. Parrish G. Carburizing: Microstructures and Properties. – ASM International, Materials Park, Ohio, USA, 1999. – 247 p.

5. Зинченко В.М. Инженерия поверхности зубчатых колес методами химико-термической обработки. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2001. – 303 с.

6. Берлин Е.В., Коваль Н.Н., Сейдман Л.А. Плазменная химико-термическая обработка стальных деталей. – М.: Техносфера, 2012. – 464 с.

7. Плазменно-электролитическое модифицирование поверхности металлов и сплавов / И.В. Суминов, П.Н. Белкин, А.В. Эпельфельд и др.; В 2-х т. – М.: Техносфера, 2011. – 464 с.

8. Prabhudev K.H. Handbook of Heat Treatment of Steels. – Tata McGraw-Hill Education, 1988. – 762 p.

9. Campos-Silva I., Martinez-Trinidad J., Doñu-Ruíz M.A., Rodríguez- Castro G., Hernández-Sánchez E., Bravo-Bárcenas O. Interfacial indentation test of FeB/Fe2B coatings // Surface and Coatings Technology. 2012. Vol. 206. No. 7. P. 1809 – 1815.

10. Terakado K., Urao R., Ohmori M. Simultaneous plasma treatment for carburizing and carbonitriding using hollow cathode discharge // Metallurgical and Materials Transactions. 1996. Vol. 27. No. 2. P. 401 – 405.

11. Pehlivanturk N.Y., Inal O.T. Ion/plasma carburizing: theory and practice // Advanced Materials and Manufacturing Processes. 1988. Vol. 3. No. 4. P. 551 – 573.

12. Kulka M. Current Trends in Boriding. Techniques. Springer, 2019. – 293 p.

13. Kulka M., Makuch N., Dziarski P., Mikołajczak D., Przestacki D. Gradient boride layers formed by diffusion carburizing and laser boriding // Optics and Lasers in Engineering. 2015. Vol. 67. P. 163 – 175.

14. Kulka M., Makuch N., Pertek A., Piasecki A. Microstructure and properties of borocarburized and laser-modified 17CrNi6-6 steel // Optics and Laser Technology. 2012. Vol. 44. No. 4. P. 872 – 881.

15. Kulka M., Mikolajczak D., Makuch N., Dziarski P., Miklaszewski A. Wear resistance improvement of austenitic 316L steel by laser alloying with boron // Surface and Coatings Technology. 2016. Vol. 291. P. 292 – 313.

16. Kulka M., Makuch N., Pertek A. Microstructure and properties of laser-borided 41Cr4 steel // Optics and Laser Technology. 2013. Vol. 45. P. 308 – 318.

17. Campos-Silva I., Ortiz-Domínguez M., Lopez-Perrusquia N., Meneses- Amador A., Escobar-Galindo R., Martínez-Trinidad J. Characterization of AISI 4140 borided steels // Applied Surface Science. 2010. Vol. 256. No. 8. P. 2372 – 2379.

18. Степанов М.С., Домбровский Ю.М., Давидян Л.В. Структура, фазовый состав, механические свойства и износостойкость ста- ли после микродугового борованадирования // Изв. вуз. Черная металлургия. 2019. Т. 62. № 6. С. 446 – 451.

19. Степанов М.С., Домбровский Ю.М., Давидян Л.В. Оценка механических свойств и природа упрочнения диффузионного слоя при микродуговом ванадировании стали // Изв. вуз. Черная металлургия. 2018. Т. 61. № 8. С. 625 – 630.

20. Степанов М.С., Домбровский Ю.М. Создание покрытий карбидного типа при микродуговом термодиффузионном вольфрамировании стали // Материаловедение. 2018. № 1. С. 20 – 25.

21. Степанов М.С., Домбровский Ю.М., Пустовойт В.Н. Микродуговое диффузионное насыщение стали углеродом и карбидообразующими элементами // Металловедение и термическая обработка. 2017. № 5. С. 45 – 49.

22. Домбровский Ю.М., Степанов М.С. Формирование покрытия карбидного типа при микродуговом ванадировании стали // Изв. вуз. Черная металлургия. 2017. Т. 60. № 4. С. 262 – 267.

23. Гюльмалиев А.М., Головин Г.С., Гладун Т.Г. Теоретические основы химии угля. – М.: Изд-во Московского государственного горного университета, 2003. – 556 с.

24. ГОСТ 22536.1 – 88. Сталь углеродистая и чугун нелегированный. Методы определения общего углерода и графита. – М.: Стандартинформ. – 11 с.

25. Крукович М.Г., Прусаков Б.А., Сизов И.Г. Пластичность борированных слоев. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2010. – 384 с.