В данной работе предложен инновационный подход к упрочнению нержавеющих сталей на основе борирования. Разработанные технологические составы и режимы обработки позволяют значительно повысить твердость и износостойкость поверхностного слоя без потери его коррозионной стойкости.
Авторы: Сергей Геннадиевич Цих
Антон Алексеевич Корнеев
Софья Станиславовна Розмирович
Сергей Владимирович Власов
ООО «Термохим»
Традиционные методы химико-термической обработки (цементация, нитроцементация, азотирование, карбонитрация), различающиеся прежде всего механизмами упрочнения, широко применяются для поверхностного упрочнения деталей машин и оборудования, изготавливаемых из конструкционных сталей.
Так, цементация и нитроцементация предусматривают обязательное применение финишной закалки и низкого отпуска. При этом реализуется мартенситный (закалочный) механизм упрочнения. Основное назначение этих технологий — повышение усталостной прочности.
Азотирование и карбонитрация являются финишными низкотемпературными (<600°С) технологиями с так называемым твердорастворным механизмом упрочнения. Модификация поверхности происходит за счет образования композиционного слоя, состоящего из ε-фазы (нитрид или карбонитрид железа Fe2–3(CN)) и диффузионного слоя, представляющего собой твердый раствор азота и углерода в железе с включениями карбонитридных фаз железа и легирующих элементов. Такие упрочненные слои хорошо зарекомендовали себя для повышения характеристик износостойкости при трении металла по металлу, задиростойкости и коррозионной стойкости (за счет образования ε-фазы), а также усталостной прочности при относительно невысоких знакопеременных нагрузках.
Однако эти технологии малопригодны для упрочнения деталей из нержавеющих сталей, т. к. при этом в десятки раз снижается их коррозионная стойкость. Потеря коррозионной стойкости связана с тем, что при поверхностном насыщении нержавеющих сталей азотом и углеродом происходит образование карбонитридов легирующих элементов, прежде всего хрома, что приводит к обеднению хромом твердого раствора матрицы стали.
На данный момент существуют лишь две технологии поверхностного упрочнения нержавеющих сталей без потери коррозионных свойств. Это отечественная технология хромонитридизации аустенитных нержавеющих сталей [1], заключающаяся в последовательном диффузионном насыщении поверхности сначала хромом (до 70%), а затем азотом. При этом формируется упрочненный слой, состоящий из пластичной аустенитной матрицы с включениями нитридов Cr2N. Такая структура обеспечивает повышение твердости, износостойкости, жаростойкости при сохранении коррозионной стойкости на уровне неупрочненной аустенитной стали.
Другая технология — Kolsterising, разработанная компанией Bodycote для упрочнения аустенитных нержавеющих сталей, заключается в диффузионном насыщении поверхности стали азотом и углеродом без образования карбонитридных фаз. Упрочнение идет за счет создания больших сжимающих напряжений в поверхностном слое благодаря образованию пересыщенных твердых растворов азота и углерода в железе. Твердость поверхности в этом случае может достигать 1200 HV0,1 при сохранении коррозионной стойкости на уровне неупрочненной аустенитной стали.
Однако эти технологии малодоступны для широкого использования в виде услуг.
В связи с этим представляют большой практический интерес другие технологии диффузионного упрочнения, разработанные для конструкционных сталей, и адаптация их для нержавеющих сталей. Например, технология борирования, которая в плане износостойкости гораздо эффективнее традиционных (цементация, азотирование, карбонитрация), может применяться в том числе и для упрочнения нержавеющих сталей.
Технология борирования, особенно в расплавах солей, позволяет в широких пределах регулировать структуру и фазовый состав поверхностного слоя. Поэтому чрезвычайно важной задачей является оценка влияния структуры борированного слоя на коррозионную стойкость и на ее основе выдача рекомендаций по применению технологии борирования для упрочнения деталей из нержавеющих сталей.
В работе применен метод инженерии поверхности [2], заключающийся в способности конструирования многозонных структур упрочненного слоя с возможностью управления фазовым составом, толщиной и твердостью отдельных зон. Поэтому химико-термическая обработка (ХТО), и в частности борирование, вполне может рассматриваться как метод инженерии поверхности [3].
Основными задачами инженерии поверхности методами ХТО являются:
— анализ условий эксплуатации с выдачей количественных критериев к конструкции, материалу и характеристикам упрочненного слоя;
— разработка системы показателей (конструкторских и технологических) для оценки качества готовых изделий, в том числе зависимости свойств деталей от структурного состояния в различных зонах, и прежде всего на поверхности и в поверхностных слоях.
Используя метод инженерии поверхности, мы разработали технологические составы и режимы процесса борирования в расплавах солей, обеспечивающих получение различных структур поверхностного слоя. Для борирования нержавеющих сталей выбран широко применяемый рабочий расплав «Рубор‑2» [4] на основе тетрабората натрия. Изменяя активность расплава (борный потенциал) в диапазоне 9–16% бора, удалось получить различные структуры упрочненного слоя (рис. 1) на стали 08Х18Н10Т.
а) 
б) 
в) 
Рис. 1. Структура стали 08Х18Н10Т после борирования при температуре 850°С в течение 21 часа: а) содержание бора в расплаве 8–10% (расплав «Рубор-НС1»); б) 11–13% (расплав «Рубор-НС2»); в) 15–17% (расплав «Рубор-НС3»)
Структура упрочненного слоя, полученного на стали 08Х18Н10Т, во всем исследуемом диапазоне содержания бора в расплаве имеет многозонный характер и различную толщину и твердость.
Так, после обработки в расплаве «Рубор-НС1», на стали выявляется три зоны поверхностного слоя (рис. 1а) общей толщиной до 30 мкм. Поверхностная твердость составляет ~600 HV0,1, а на глубине 10–20 мкм ~ 1500–1600 HV0,1.
Рентгеноструктурным анализом (рис. 2) установлено наличие на поверхности α-железа (α-Fe) и борида Fe2B.
а) 
б) 
в) 
Рис. 2. Рентгенограмма с поверхности стали 08Х18Н10Т после борирования в расплавах при температуре 850°С в течение 21 ч.: а) «Рубор-НС1»; б) «Рубор-НС2»; в) «Рубор-НС3»
Причем зона α-Fe с содержанием железа до 88% не превышает величину 2–3 мкм (рис. 3а), что приводит к существенному снижению поверхностной твердости до 600 HV0,1. В некоторых случаях «мягкая зона» α-Fe может являться прирабатывающим слоем при притирке сопрягаемых (уплотнительных) поверхностей, например, деталей запорно-регулирующей арматуры.
После обработки стали 08Х18Н10Т в расплаве «Рубор-НС2», металлографически выявляется четыре зоны упрочненного слоя (рис. 1б) общей толщиной до 40 мкм, с поверхностной твердостью до 1150 HV0,1, а на глубине 10–20 мкм ~1500–1600 HV0,1.
а) 
б) 
в) 
Рис 3. Тонкая структура и химический состав различных зон упрочненного слоя стали 08Х18Н10Т после борирования в расплавах при температуре 850°С в течение 21 ч.: а) «Рубор-НС1»; б) «Рубор-НС2»; в) «Рубор-НС3»
Рентгеноструктурным методом обнаружена на поверхности исследуемой стали фаза CrB (рис. 2б), протяженность которой не превышает 3 мкм (рис. 3б). Эта зона обогащена хромом до 63% (рис. 3б). После механического удаления пятимикронной поверхностной зоны рентгеноструктурный метод фиксирует преобладающую фазу Fe2В (рис. 4) с содержанием хрома 18% (рис. 3в), соответствующем марочному составу стали.
Рис. 4. Рентгенограмма стали 08Х18Н10Т после борирования в расплаве «Рубор-НС2» при температуре 850°С в течение 21 ч. и механического удаления слоя толщиной 3–5 мкм
После обработки стали 08Х18Н10Т в расплаве «Рубор-НС3» металлографически также выявляются 4 зоны упрочненного слоя (рис. 1в), общей толщиной до 70 мкм с поверхностной твердостью до 2200 HV0,1.
Рентгеноструктурным методом на поверхности стали обнаруживается фаза FeB (рис. 2в) толщиной до 40 мкм (рис. 3в). Никакой особой аномалии по химическому составу отдельных зон не обнаружено, за исключением заниженного, до 5–6%, содержания никеля в поверхностной зоне и, наоборот, завышенного его содержания, до 48%, в переходной зоне на глубинах более 60 мкм.
Кроме того, на всех исследованных образцах в переходной зоне обнаружены выделения боридов по границам зерен (рис. 1 а – в), идентификацию которых в данной работе не проводили.
Большой практический интерес представляет исследование влияния структуры борированного слоя, полученного на нержавеющих сталях, прежде всего на коррозионную стойкость, т. к. наряду с износостойкостью именно эта характеристика определяет эксплуатационный ресурс оборудования, особенно работающего в условиях воздействия агрессивных сред.
В данной работе коррозионные испытания проводились в камере соляного тумана, имитирующего морскую воду (5% раствор NaCl в воде), при температуре 35°С, в течение 48 часов.
За эталон принята коррозионная стойкость аустенитной стали 08Х18Н10Т в состоянии поставки. Установлено, что наибольшую коррозионную стойкость, даже превышающую эту характеристику для необработанного состояния, имеет сталь 08Х18Н10Т после борирования в расплаве
«Рубор-НС2» со структурой поверхности, представленной фазой CrB (табл. 1). Поверхностная структура, состоящая из фазы FeB, полученная после обработки в расплаве «Рубор-НС3», несколько снижает коррозионную стойкость (в 2–2,5 раза), но при этом остается на достаточно высоком уровне. Структура поверхности, состоящая из фаз α-Fe и химического соединения Fe2В, полученная после обработки в расплаве «Рубор-НС1», имеет наименьшую стойкость в коррозионной среде типа «морская вода» (стойкость понижается до 5 раз), но все равно она выше в 3 раза в сравнении с карбонитрацией (табл. 1).
Проведенные исследования структуры и испытания выявили, что максимальная коррозионная стойкость обеспечивается фазой CrB, а минимальная — фазой α-Fe, полученными после обработки в расплавах «Рубор-НС2» и «Рубор-НС1», соответственно. Толщина монослоя этих фаз минимальна (не превышает 3 мкм), поэтому представляет интерес процесс изменения коррозионной стойкости по мере износа поверхности. После механического удаления на этих образцах слоя 3–5 мкм, имитирующего износ детали во время эксплуатации, на поверхности сохраняются монослои, представленные фазой Fe2В. Коррозионная стойкость, обеспечиваемая фазой Fe2В, сохраняется на достаточно высоком уровне, сопоставимом с необработанным состоянием (табл. 1).
Таким образом, установлено, что получаемые различные структуры борированного слоя имеют весьма высокую коррозионную стойкость в средах типа «морская вода». Проведенные исследования и испытания открывают новые возможности для промышленного опробования технологии жидкостного борирования и внедрения их в различных отраслях при изготовлении широкого спектра деталей машин и оборудования (рис. 5).
Рис. 5. Примеры потенциального применения технологий «Рубор-НС» (1–3) при изготовлении деталей машин и оборудования
Литература
- Зинченко В.Н. Инженерия поверхности зубчатых колес методами химико-термической обработки. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2001. 301 с.
- Цих С.Г., Гришин В.И., Лисицкий В.Н., Глебова Ю.А. Перспективы применения в энергетике технологии хромонитридизации деталей из аустенитных сталей // Арматуростороение. 2010. № 6. С. 62–66.
- Цих С Г., Мартыной В.Н., Шкляр Н.Е. Жидкостное борирование // РИТМ. 2015. № 6. С. 38–40.
- Цих С.Г., Красуля А.А. Опыт применения технологий жидкостного борирования. Ритм машиностроения. 2022. № 6. С. 14–19.
Источник журнал "РИТМ машиностроения" № 4-2024
Еще больше новостей |  |
