Металлопрокат
Металлоконструкции
Обработка металла
В процессе борирования происходит охрупчивание металла вследствие роста зерен. Молекулярный объем образующегося борида железа больше атомного объема металла VFe2B/VFe=1,17. Поверхность стремится расшириться, сердцевина этому препятствует, поэтому борированный слой испытывает напряжения сжатия, а нижележащие слои - напряжения растяжения; согласно, напряжение сжатия достигает 21-39 кГ/мм2. Наличие под тонким твердым слоем боридов мягкой сердцевины способствует выкрашиванию слоя под воздействием незначительных местных нагрузок. В результате указанных причин борированная поверхность без дополнительной термической обработки является неработоспособной -происходит продавливание рабочей поверхности и появление задиров. Ударная вязкость борированного металла падает.
При испытании борированных образцов на маятниковом копре борированный слой полностью откалывается на длине 5-6 мм вокруг плоскости излома. То же самое наблюдается для образцов, прошедших следующий высокий — отпуск (580° С). На образцах, поцвергнутых после борирования закалке от 840-860° С с последующим низким отпуском (200° С), борированный слой совсем не откалывается даже по линии излома, т,е. сакалка с последующим отпуском не только обеспечивает создание твердого подслоя под очень твердым борированием слоем, но и увеличивает его сцепление с основным металлом.
Исследование микроструктуры слоя после дополнительной термической обработки показывает, что последняя не вызывает каких-либо видимых изменений в структуре слоя, за исключением того, что в некоторых случаях после закалки появляются мелкие трещины, их образование обусловлено увеличенном объема сердцевины в результате закалки и появлением в борированном слое растягивающих напряжении.
Закалка с низким отпуском, увеличивая объем сердцевины (структура отпущенного мартенсита), практически полностью устраняет остаточные напряжения. Однако при этом резко снижается предел усталостной прочности борированной стали. При закалке и высоком отпуске (560° С) характер распределения остаточных напряжений меняется незначительно и в то же время заметно повышается предел усталостной прочности. Причина такого влияния термообработки на выносливость борированной стали заключается, видимо, в различной чувствительности средцевины к концентраторам напряжений. Трещина, возникшая в хрупком диффузионном слое и достигнувшая сорбитной структуры, менее опасна, чем когда она входит в более чувствительную, к концентраторам напряжений мартенситную структуру.
Экспериментально показано, что после закалки с 850° С в воду и отпуска при 180° С знак внутренних напряжений в борированном слое изменяется и вместо сжимающих в поверхностном слое возникают растягивающие напряжения (рис. 30). Для снятия указанных нап-ряжений целесообразно подвергать борированную сталь поверхностной, ступенчатой или изотермической закалке.
Из рис. 31 видно, что поверхностная закалка создает на поверхности детали сжимающие напряжения.
Поверхностные слои, стремящиеся расшириться, частично снимут сжимающие напряжения с борированного слоя, в котором существенных объемных изменений при термической обработке не происходит. При этом зона концентрации наиболее опасных растягивающих напряжений с границы металл-покрытие перемещается в глубь более мягкой основы.
Так как удельный объем перлита занимает среднее положение между аустенитом и мартенситом Vа≤Vn≤Vм, то в результате термической обработки можно получать такое соотношение аустенита и мартенсита, что удельный объем окажется равным или несколько превышающим исходный, соответствующий перлитному (отожженому) состоянию. После такой "идеальной" термической обработки борированный слой сохраняет незначительные сжимающие напряжения, повышающие усталостную прочность, подслой оказывается более прочным, а область опасных сжимающих напряжений перемещается в глубь более мягкой и пластичной сердцевины.
Сочетание борирования с поверхностной закалкой током высокой частоты нижележащего слоя на глубину 2-3 мм до твердости HRc = 58 + 60 кГ/мм2 повышает из носоустойчивость в три раза по сравнению с улучшением(закалка с последующим высоким отпуском).
Закалка током высокой частоты с предыдущей нормализацией (820 - 840° С, 2 ч) и последующим отпуском в масляной ванне (180 С, 2 ч) позволяет повысить ударную вязкость борированных изделий в три - четыре раза.
Нормализация не оказывает вредного влияния на твердость и структуру слоя. Твердость его сохраняется в пределах 1600-1800 кГ/мм2, микроструктура не меняется. Структура подслоя с повышенной концентрацией углерода более дисперсна, а микроструктура сердцевины изделия становится более мелкозернистой, что способствует улучшению его качества. После закалки током высокой частоты структура закаленного слоя состоит из мелкоигольчатого мартенсита с отдельными мелкими включениями троостита.
Переходный слой имеет структуру мартенсита, перемещающуюся с участками троостита. Структура сердцевины состоит из перлита и феррита.
Авторы предлагают новый оригинальный способ термообработки борированных изделий. Для сохранения исходного состояния поверхности и повышения износостойкости предлагается вести закалку с температуры борирования или после подстуживания погружением в охлаждающую среду, возбуждаемую ультразвуковыми колебаниями. Предполагаемый механизм действия ультразвука заключается в изменении условий парообразования на поверхности детали. Кавитация, наблюдающаяся при воздействии ультразвука, быстрее разрушает паро-газовую пленку. Охлаждение протекает при интенсивном отводе тепла в результате пузырчатого кипения, при котором коэффициент теплопередачи в 25-50 раз больше, чем при пленочном кипении. Введение ультразвуковых колебаний в закалочную среду позволяет регулировать скорость охлаждения и использовать мелкодисперсные эмульсии различных закалочных сред типа вода - масло. Ультразвуковые колебания при охлаждении способствуют увеличению прокаливаемости, улучшению поверхности закаленных изделий (отсутствие окалины и масляных пригаров) и структуры металла.
Кроме того, поскольку ультразвуковое воздействие на металлы и сплавы сопровождается появлением в структуре следов пластической деформации, использование термической обработки с ультразвуком аналогично по результатам термомеханической или механико-термической обработке.