Применение комплексного насыщения поверхности одновременно бором и титаном обусловлено, прежде всего, необходимостью улучшения механических свойств диффузионного слоя [1, 2]. В случаях, когда поверхность с диффузионным слоем высокой микротвердости интенсивно изнашивает рабочую поверхность сопрягаемой детали.

В качестве диффузантсодержащих компонентов использовались карбид бора (В4С) и окcид титана (TiO2). Оксид титана был предварительно восстановлен методом алюмотермии. Подготовленные компоненты смешивались в соотношении 1:1.

На первом этапе изучали влияние состава насыщающей смеси на механические свойства получаемого покрытия на стали (состав, толщина, микротвердость, пластичность). Затем, после оптимизации состава смеси изучали влияние температуры насыщения на состав, толщину и микротвердость диффузионных слоев. После чего изучали влияние времени выдержки на физико-механические свойства упрочненной поверхности. На рис. 1 показана микроструктура боротитанированного слоя на стали У8.

Боротитанирование стали У8 при температуре насыщения 900 °С привело к образованию сплошного диффузионного слоя, без образования характерных боридных игл (рис. 1). Тем не менее, верхняя часть этого слоя имеет большую микротвердость, чем в нижней части. Это объясняется формированием на поверхности фаз, состоящих из карбидов титана.

Повышение температуры боротитанирования до 1000 °С привело к образованию «пирогообразного» диффузионного слоя. После верхнего сплошного слоя, отчетливо виден «игольчатый» слой, характерный для боридов (рис. 2). Дюрометрические измерения подтверждают наличие боридного слоя (рис. 3).

При титанировании сталей на поверхности зачастую образуются диффузионные слои, состоящие из карбидов титана и титанатов железа [3–5]. Как сильный карбидообразующий элемент, титан вытягивает углерод из стали, при этом под титанированным слоем образуется обезуглероженный подслой, имеющий пониженную твердость [6–9]. При комплексном насыщении по результатам измерения микротвердости диффузионного и переходного слоев, обезуглероженного подслоя обнаружено не было.

Наиболее наглядно формирование боротитанированного слоя показано на примере стали 45 (рис. 4 и 5).

Рис. 1. Микроструктура боротитанированного слоя на стали У8, при температуре насыщения 900 °С, толщина слоя 45 мкм. х 200

Рис. 2. Микроструктура боротитанированного слоя на стали У8, при температуре насыщения 1000 °С. Толщина слоя 120 мкм. х 400

Рис. 3. Микротвердость диффузионного слоя на стали У8 в зависимости расстояния до поверхности

Рис. 4. Микроструктура боротитанированного слоя на стали 45. Т = 1000 °С, τ = 4 часа. х 200

Рис. 5. Микроструктура боротитанированного слоя на стали 45. Т = 1000 °С, τ = 4 часа. х 400

Выводы

1. Проведены исследования механизма и кинетики формирования диффузионных покрытий на сталях 45, У8.

2. Установлено, что независимо от содержания углерода и легирующих элементов возможно получение износостойких диффузионных слоев.

3. Комплексное (одновременное) насыщение бором и титаном на основе карбида бора и оксида титана является перспективным методом повышения эксплуатационных свойств поверхности деталей машин. Комплексные диффузионные слои особенно актуальны для поверхности деталей, работающих в условиях гидроабразивного износа. Износостойкость возрастает до 7 раз, вследствие изменения коэффициента трения. При этом особую роль играет «мягкая» сердцевина диффузионного слоя, способствующая «притирке» сопряженных рабочих поверхностей.