Борирование является одним из самых эффективных методов химико-термической обработки. По распространенности борирование заметно уступает цементации и нитроцементации, хотя по технологическим параметрам они очень близки. При этом, борированные слои на стали характеризуются следующими преимуществами:
- борирование является одинарной обработкой, т.е., после насыщения поверхности не требуется дополнительная термообработка;
- твердость боридных слоев в 1,5–2 раза превосходит твердость цементованных. Борированная поверхность устойчива при износе самым распространенным абразивом — оксидом кремния;
- в поверхностном слое формируются более высокие сжимающие напряжения.
Наиболее существенным недостатком является высокая стоимость борсодержащих реактивов. Например, в настоящее время стоимость карбида бора составляет более 1000 руб/кг.
Некоторой неопределенностью характеризуется вопрос коррозионной стойкости борированных слоев на сталях. Хорошо известно, что сами бориды обладают очень высокой устойчивостью в целом ряде агрессивных сред, в том числе, в расплавах разных веществ. Вместе с тем, не рекомендуется использовать борированные изделий в условиях атмосферной коррозии, когда преобладает коррозионное разрушение. Борированная сталь в нейтральной коррозионной среде достаточно быстро покрывается продуктами коррозии.
Целью данной работы являлось изучение характера коррозионного разрушения борированной низкоуглеродистой стали.
Материалом для исследования служили борированные образцы углеродистой стали с содержанием углерода 0,09–0,11%. Борирование выполняли в контейнере в смеси карбида бора и 2% фтористого натрия. Процесс вели при 920–940°С с выдержкой 6 часов. На полученных образцах определяли плотность гидростатическим методом. Удельное электрическое сопротивление определяли с помощью двойного моста Томсона. Микроструктуру и микротвердость исследовали на поперечных шлифах, которые изготавливали с помощью струбцины. Микротвердость измеряли на приборе ПМТ-3 при нагрузке 50 г.
Коррозионные испытания проводили в кислой (1%-ный раствор H2SO4 и нейтральной (3%-ный раствор NaCl) средах. Образцы погружали в растворы таким образом, что бы наружная поверхность только смачивалась жидкостью. Каждый день образцы переворачивались. Коррозионную стойкость оценивали по массовому показателю:
где Δm — убыль массы образца за период испытания, г; S — площадь поверхности образца, м2; τ — продолжительность испытания, ч.
После выдержки в коррозионных средах на образцах изготавливали поперечные шлифы для оценки коррозионных разрушений. Для травления шлифов применяли 4%-й раствор азотной кислоты в этиловом спирте.
Микроструктура образца после борирования представлена типичными для углеродистых и низколегированных сталей игольчатыми боридами. Величина игл намного превышает толщину сплошного слоя. Средняя толщина боридного слоя составила 240 мкм, а толщина сплошного боридного слоя — 105 мкм. Микротвердость поверхности слоя равна 16380 Н/мм2, что соответствует полубориду Fe2B.
Микротвердость феррита сердцевины составляет 1255 Н/мм2. Это несколько выше, чем можно ожидать для чистого феррита. Это связано с образованием α-раствора бора в железе.
После выдержки в коррозионных средах образцы заметно отличались друг от друга по внешнему виду. Образец, проходивший испытания в нейтральной среде, имеет рыжий цвет, вследствие образования слоя гидроксида железа Fe(OН)3. Образец, проходивший испытания в кислой среде, приобрел темный цвет по причине осаждения на поверхности частиц сульфата железа.
Испытания показали, что в кислой среде потеря массы на порядок превосходит потерю массы при коррозии в нейтральной среде (табл. 1).
Таблица 1 — Показатель изменения массы образцов после коррозионных испытаний в течение 14 дней
При этом массовый показатель потери массы борированных образцов на порядок меньше, чем исходных. Порядок величин, в целом, совпадает с данными опубликованных исследований.
Таким образом, борирование достаточно эффективно повышает коррозионную стойкость, как в кислой, так и в нейтральной среде.
Однако, массовый показатель сам по себе не является объективным критерием коррозионной стойкости. Более объективную информацию может дать глубинный показатель для оценки коррозионной стойкости по ГОСТ 13819-84.
Пересчитанные по известным зависимостям значения глубинного показателя борированных образцов оказались равными 1,079 и 0,073 мм/год при коррозии в кислой и нейтральной средах, соответственно. Согласно ГОСТ 13819-84 в первом случае материал является малостойким (балл 8), а во втором стойким (балл 5). Полученные значения примерно сопоставимы со стойкостью нержавеющих сталей в растворе хлористого натрия (согласно данным Туфанова Д. Г.).
Вызывает интерес механизм коррозионных разрушений борированного слоя на стали. Строение слоя после коррозионных испытаний оценивали на поперечных шлифах.
На образцах, проходивших испытания в кислой среде, хорошо заметны коррозионные разрушения в виде продолговатых пор (рис. 1). Характер расположения пор говорит о том, что разрушение начиналось с растворения участков слоя между иглами боридов. Вероятно, такие прослойки сохраняются даже при образовании сплошного боридного слоя.
В структуре присутствуют также большие каплевидные поры, которые образовались, по-видимому, в результате выкрашивания боридов. Возможно, это происходило уже при изготовлении шлифа. Коррозионное разрушение боридов, в данном случае, следует исключить. Глубина коррозионных повреждений превышает глубину борированного слоя. На одном из образцов даже образовалось расслоение, связанное с частичным растворением стальной основы пластинчатого образца, который изготавливали из тонкого листа.
Рисунок 1 — Микроструктура борированного слоя после коррозионных испытаний в кислой (а) и нейтральной (б) средах; без травления; х300
Коррозионные повреждения образцов в нейтральной среде меньше (рис. 1 б). Глубина повреждений не превышает 40–50 мкм. То есть, разрушения игл боридов происходят только в самой верхней части слоя. Не исключено, что причиной разрушений стали механические напряжения из-за образования гидроксида железа с большим удельным объемом. Соответственно, потери массы при коррозии в нейтральной среде на порядок ниже.
Таким образом, борирование позволяет повысить коррозионную стойкость углеродистой стали в 15,1 раз в нейтральной и в 5,9 раз в кислой средах. Коррозионная стойкость борированных образцов в кислой среде ниже, чем в нейтральной в 14,8 раз. В кислой среде происходит преимущественное разрушение стальной матрицы с последующим выкрашиванием боридов.