Влияние наличия бора на фазовое состояние и на свойства наплавочных материалов

В статье авторы исследования пытаются найти закономерность влияния наличия бора на механические и эксплуатационные свойства наплавочного материала системы C-Cr-Fe.

Ключевые слова: наплавочный сплав, избыточные карбиды, феррит, ледебурит, за- и доэвтектические сплавы, износостойкость, твёрдость, хрупкость, фаза, система, цветное травление.

Бор довольно широко используется для повышения износостойкости наплавленного металла. Введение бора в сравнительно небольших количествах (до 1 %) резко повышает твёрдость и износостойкость сплавов, особенно при абразивном изнашивании. Из промышленных наплавочных материалов бор как легирующий элемент вводится в состав наплавочных смесей марок БХ, КБХ, Н8 и электродов марок Т-590, ХР-19‚ Т-620 КБХ-45 [1‚ 2]. В зарубежной практике также используют бор для легирования износостойких материалов [3]. Однако введение бора в сплавы на железной основе наряду с повышением твёрдости и сопротивления материалов абразивному изнашиванию резко снижает устойчивость этих сплавов против ударных нагрузок [4, 1, 5].

Механизм влияния бора на структуру и свойства наплавленного металла весьма сложен. В работах различных авторов встречаются противоречивые данные о роли бора и о количестве бора, которое следует вводить для получения сплавов с определенными свойствами. Даже для сплавов примерно одной системы легирования (C-Cr-Fe-B) рекомендуемые количества бора в наплавленном металле колеблются от 0,5 до 6 % [1, 6, 7]. В одних работах указывается, что бор является активным аустенизатором [8], в других, наоборот, отмечается, что бор является ферритизатором [9]. Отсюда и разная трактовка механизма влияния бора на свойства сплавов.

Бор обладает весьма малой растворимостью в твёрдых растворах γ- и α-железа [4‚ 10]. Находясь даже в небольшом количестве в этих растворах, он упрочняет феррит за счёт изменения его тонкой структуры, в основном из-за увеличения дисперсности блоков и некоторого роста микронапряжений. Особенно высоко упрочнение бором твёрдых растворов закаленных структур [10]. Большая часть бора в сплавах находится в виде отдельных фаз — боридов и карбоборидов различных металлов.

Образование тех или иных соединений бора в сплавах зависит не только от его количества, но и от наличия в сплаве других легирующих элементов, в первую очередь карбидообразующих и углерода.

Термодинамические условия сосуществования фаз, определяющие распределение легирующих элементов между ними, сформулированы в основном для равновесных систем. В неравновесном сплаве, каким является наплавленный металл, распределение легирующих элементов между фазами может быть различным. Установлено, что бориды и карбиды переходных металлов имеют близкие закономерности в их образовании [11].

Рис. 1. Характерные микроструктуры высоколегированных доэфтектических (а), эфтектических (б) и заэфтектических (в) сплавов (×550).

Прочность связи металлов переходной группы с бором в пределах одного периода усиливается с уменьшением атомного номера. По склонности к образованию боридов основные легирующие элементы располагаются в следующем порядке: Ni, Mn, Cr, Ti, Mo, W [11]. Эти элементы образуют различные по строению и свойствам бориды типа MB, M ₂ B, MB ₂ , M ₅ B ₃ и т. д.

Все бориды имеют высокую твёрдость и хрупкость, что приводит, с одной стороны, к повышению твёрдости и износостойкости сплавов, а с другой — к их охрупчиванию. Свойства сплавов зависят не только от количества боридных фаз, но и от расположения их в структуре.

Высоколегированные наплавочные сплавы с высоким содержанием углерода по характеру микроструктуры делятся на доэвтектические, эвтектические и заэвтектические. Структура доэвтектических сплавов состоит из зёрен твёрдого раствора и эвтектики. Структура эвтектических сплавов представляет собой равномерную смесь карбидов, боридов и твёрдого раствора. Заэвтектические сплавы имеют структуру, состоящую из избыточных карбидов и эвтектики (рис. 1).

Исследование структуры сплавов систем легирования: C-Cr-Ni-Fe, C-Cr-Mn-Fe, C-Cr-Fe, C-Cr-W-Fe с различным содержанием углерода и карбидообразующих элементов показало, что, как и следовало ожидать, появление избыточных карбидов в наплавленном металле определяется количеством углерода и карбидообразующих элементов, обусловливающих положение эвтектической концентрации. Естественно, чем больше углерода, тем при меньшем количестве карбидообразующих элементов появляются избыточные карбиды, и наоборот, чем больше карбидообразующих, тем нужно меньшее количество углерода для появления избыточных карбидов.

С введением бора и с увеличением его содержания при сохранении неизменного состава по прочим элементам микроструктура наплавленного металла постепенно изменяется. Наплавленные сплавы, имеющие избыточные зерна твёрдого раствора, становятся сначала эвтектическими, а затем появляются и избыточные карбиды, расположенные в ледебурите [12].

Очевидно, бор, смещая влево звтектическую точку сплава, способствует выпадению избыточных карбидов при меньшем содержании углерода и карбидообразующих элементов. Переход от одного вида микроструктуры к другому отчетливо виден в том случае, когда в сплаве без бора имеется структура, состоящая из зёрен твёрдого раствора и эвтектики. Если же количества углерода и карбидообразующих достаточно для появления избыточных карбидов в отсутствии бора, микроструктура с введением бора может заметно не меняться, увеличивается лишь количество эвтектики. В C-Cr-W-Fe сплавах введение бора приводит к распаду аустенита и появлению мартенситных игл (рис. 2).

Исследования рентгеновским методом количества аустенита и мартенсита в наплавленном металле показали, что в высокоуглеродистых сплавах с различным содержанием хрома, марганца, никеля, вольфрама легирование бором приводит к сужению γ-области и увеличению количества α-фазы. Особенно резкое уменьшение количества аустенита наблюдается в тех сплавах, где благодаря введению бора меняется характер микроструктуры: исчезают избыточные зёрна аустенита или происходит их распад появляются избыточные крупные карбиды с ледебуритом.

При тепловом цветном травлении наплавленных сплавов, которое проводилось по методике, разработанной Г. А. Файвелевич [13], обнаружено, что с увеличением содержания бора окраска эвтектики резко изменяется.

В заэвтектических и доэвтектических сплавах без бора эвтектика (ледебурит) состоит из голубой основы (α-фазы) и светлых частичек-карбидов. При легировании сплавов бором карбиды и зёрна твёрдого раствора окраску не меняют, а основа эвтектики сплава вместо голубой становится песочно-жёлтой. Возрастает её микротвёрдость. Резкое изменение окраски эвтектики, вероятно, происходит из-за замещения бором части атомов в твёрдом растворе α-железа [4] и распределения в нём мелкодисперсных боридов.

Произвести разделение карбидов и боридов в эвтектике методом теплового цветного травления не удалось. Обе эти фазы обладают высокой стойкостью против окисления в связи с высоким содержанием в них хрома.

Литература:

1. Искольдский И. И., Черкинская С. Л. Улучшение смеси для износостойкой наплавки. «Сварочное производство», 1960, № 2.
2. Parson M. Surfacing Increases Wear Resistance of Austenitic Marganese steel. «Weld Design and Fabrication» 1960, v.33, № 2.
3. Геллер Ю. А. Инструментальные стали. Металлургиздат, 1961.
4. Гудремон Э. Специальные стали. Том I и II. М., Металлургиздат, М., 1960.
5. Фрумин И. И. Электроды для наплавки. Тезисы докладов Всесоюзной конференции по электродному производству. Книга II, Киев, «Наукова думка», 1966.
6. Самеонов Г. В., Мариовский Л. Я., Жигач А. Ф., Воляшко М. Г. Бор, его соединения и сплавы. Изд. АН УССР, 1960.
7. Shepard A. P. Second Generation of Flame Sprayed Hard Surfacing. «Machinery», v.68, 1968, № 6.
8. Прозоровский Е. В., Петров Г. Л. Вопросы дуговой сварки аустенитных хромоникелевых сталей, легированных бором. «Автоматическая сварка», 1966, № 1.
9. Делле В. А. Легированная конструкционная сталь. Металлургиздат, 1953.
10. Шевелев А. К. Исследование тонкой кристаллической структуры и характеристической температуры α-железа, легированного бором. «Физика металлов и металловедение», т. 22, вып. 2, 1966, стр. 14–17.
11. Лашко Н. Ф., Сорокина К. П. Фазовый состав, структура и свойства легированных сталей и сплавов. М., «Машиностроение», 1965.
12. Лившиц Л. С., Щербакова В С., Гринберг Н. А. Влияние бора на структуру и свойства наплавленного металла. «Металловедение и термическая обработка», 1967, № 5.
13. Файвелевич Г. А. Цветное травление. М., ГОСНТИ литературы чёрной и цветной металлургии, 1960.