Особенности формирования диффузионной зоны, полученной на стали 20 борированием в индукционной печи

Приведены данные исследований синтеза боридов железа при индукционном нагреве до 1000 °C в течение 5 мин образцов стали 20 с обмазкой из шихты, содержащей Fe–H₃BO₃. Содержание борной кислоты в составе шихты менялось от 25 и до 75 % (по массе). Шихта в экспериментах могла быть разбавлена раствором в воде жидкого стекла с добавлением небольшого количества гидроксида аммония и угля. Исследование микротвердости поверхностного слоя показало, что в ходе насыщения бором поверхностного слоя углеродистой стали 20 формируется макроскопически обширная диффузионная зона размером 900 – 1000 мкм, в которой содержание боридов постепенно снижается при перемещении в глубь матрицы. Такой размер диффузионной зоны указывает на аномально высокий массоперенос в ходе борирования стали 20. Действительно, вычисленный коэффициент диффузии в ходе борирования в условиях индукционного воздействия (около 1,35·10^–9 м²/с) на два порядка превышает коэффициент диффузии в классическом варианте борирования. Рентгеновские исследования показали, что в рассматриваемых условиях синтезируются бориды Fe₂B и FeB, а также формируется твердый раствор бора в α­железе. Анализ фазового состава структурных составляющих диффузионной зоны свидетельствует, что от поверхности к матрице формирование боридных фаз осуществляется в последовательности FeB → Fe₂B → (α-фаза + В) → металл основы. Микроструктура диффузионной зоны представляет собой более или менее выраженные слои, состоящие из боридных фаз FeB и Fe₂B. В целом же, особенно глубоколежащие области диффузионной зоны представляют собой композиционный материал, состоящий из пластичной α-фазы и кристаллов боридов железа. Кристаллы в FeB и Fe₂B в слое ориентированы преимущественно перпендикулярно к фронту диффузии. Возможно, это обусловлено быстрым преимущественным ростом боридной фазы в условиях высокой диффузионной подвижности атомов бора в каком-то одном направлении и затрудненной в других.

1. Bakare M.S., Voisey K.T., Chokethawai K., McCartney D.G. Corrosion behaviour of crystalline and amorphous forms of the glass forming alloy Fe43Cr16Mo16C15B10 // Journal of Alloys and Compounds. 2012. Vol. 527. P. 210–218. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2012.02.127

2. Medvedovski E. Advanced iron boride coatings to enhance corrosion resistance of steels in geothermal power generation // Advances in Applied Ceramics. 2020. Vol. 119. No. 8. P. 462–481. https://doi.org/10.1080/17436753.2020.1830359

3. Mebarek B., Keddam M. A fuzzy neural network approach for modeling the growth kinetics of FeB and Fe2B layers during the boronizing process // Matériaux & Techniques. 2018. Vol. 106. No. 6. Article 603. https://doi.org/10.1051/mattech/2019002

4. Лахтин Ю.М., Арзамасов Б.Н. Химико­термическая обработка металлов. М.: Металлургия, 1985. 256 с.

5. Ворошнин Л.Г., Ляхович Л.С. Борирование стали. М.: Металлургия, 1978. 239 c.

6. Ворошнин Л.Г. Антикоррозионные диффузионные покрытия. Минск: Наука и техника, 1981. 296 с.

7. Nora R., Zine T.M., Abdelkader K., Youcef K., Ali O., Jiang X. Boriding and boronitrocarburising effects on hardness, wear and corrosion behavior of AISI 4130 steel // Matéria. 2019. Vol. 24. No. 1. https://doi.org/10.1590/s1517-707620190001.0609

8. Шевчук Е.П., Плотников В.А., Ахметжанов Б.К. Исследование боридных слоев стали 20 после химико­термической обработки в индукционной печи // Фундаментальные проблемы современного материаловедения. 2018. Т. 15. № 3. С. 386–391. https://doi.org/10.25712/ASTU.1811-1416.2018.03.012

9. Шевчук Е.П., Плотников В.А., Бектасова Г.С. Рентгеноструктурный анализ диффузионного боридного слоя на углеродистой стали // Известия Алтайского государственного университета. 2018. № 4 (102). С. 51–55. https://doi.org/10.14258/izvasu(2018)4-09

10. Шевчук Е.П., Плотников В.А., Джес А.В. Формирование обширной диффузионной зоны при борировании стали 20 // Фундаментальные проблемы современного материаловедения. 2018. Т. 15. № 3. С. 424–428. https://doi.org/10.25712/ASTU.1811-1416.2018.03.018

11. Mehrer H. Diffusion in Solids: Fundamentals, Methods, Materials, Diffusion­Controlled Processes. Springer Science & Business Media, 2007. 654 p.

12. Балгазин И.И., Саяпова В.В. Нахождение коэффициента диффузии методом Монте­Карло // Universum: Химия и биология. 2018. № 5 (47). URL: https://7universum.com/ru/nature/archive/ item/5801 (дата обращения: 09.02.2022).

13. Павлов П.В., Хохлов А.Ф. Физика твердого тела. М.: Высшая школа, 2000. 494 с.

14. Гурьев А.М., Лыгденов Б.Д., Гурьев М.А., Мэй Шунчи, Власова О.А. Борирование малоуглеродистой стали // Международный журнал экспериментального образования. 2015. № 12­4. С. 572–573.

15. Быкова Т.М. Влияние химического состава стали на структуру и свойства диффузионных боридных покрытий: дисс. … канд. техн. наук: 05.16.09: Екатеринбург, 2016. 164 с.

16. Krukovich M.G., Prusakov B.A., Sizov I.G. Plasticity of Boronized Layers. Berlin: Springer, 2016. https://doi.org/10.1007/978-3-319-40012-9

17. Epik A.P. Boride coatings. In book: Boron and Refractory Borides. Part. 4. Berlin; New York: Springer­Verlag, 1977. P. 597–612.

18. Крукович М.Г. Механизм формирования диффузионных слоев // Новые материалы и технологии в машиностроении. 2012. № 15. С. 69–76.

19. Kouba R., Keddam M., Kulka M. Modelling of paste boriding process // Surface Engineering. 2015. Vol. 31. No. 8. P. 563–569. https://doi.org/10.1179/1743294414y.0000000357

20. Keddam M., Ortiz­Dominquez M., Elias­Espinosa V., Damián­Mejía O., Arenas­Flores A., Gómez­Vargas O.A., Abreu­Quijano M., Aldana­González I.J., Zuno­Silva J. Growth kinetics of the Fe2B coating on AISIH13 steel // Transactions of the Indian Institute of Metals. 2015. Vol. 68. No. 3. P. 433–442. https://doi.org/10.1007/s12666-014-0472-x

21. Mebarek B., Keddam M. Fuzzy logic approach for modelling the formation kinetics of Fe 2B layer // International Journal of Computational Materials Science and Surface Engineering. 2020. Vol. 9. No. 2. P. 147–156. https://doi.org/10.1504/IJCMSSE.2020.109563

22. Лыгденов Б.Д. Интенсификация процессов формирования структуры диффузионного слоя при химико­термической обработке сталей: дисс. … док. техн. наук: 05.02.01. Барнаул, 2009. 354 с.

23. Екимов Е.А., Зибров И.П., Зотеев А.В. Получение микрокристаллов бора пиролизом декаборана В10Н14 при высоких давлениях и температурах // Неорганические материалы. 2011. Т. 47. № 11. С. 1311–1316.