Structural-phase state and properties of steel after plasma electronic modification.pdf Введение Применение электронно-ионно-плазменных методов обработки поверхности, основанных на использовании концентрированных потоков энергии (мощные ионные пучки, потоки плазмы, лучи лазера, импульсные и непрерывные электронные пучки и т.д.), позволяет получать модифицированные поверхностные слои и покрытия с существенно более высокими физико-механическими свойствами относительно упрочняемого материала [1-8]. Комбинированные приемы, сочетающие в различной последовательности напыление плазменных покрытий и слоев с последующей обработкой концентрированными потоками энергии, позволяют во многих случаях добиться дополнительного повышения физико-механических и трибологических свойств материала [9-14]. Воздействие концентрированными потоками энергии на сложно-легированную поверхность металлических систем способствует переводу кристаллической решетки в слабоустойчивое состояние и, как следствие, образованию целого спектра структурно-фазовых состояний [15-18]. Новая концепция поведения физических систем вблизи границы потери устойчивости позволяет не только с новых позиций рассматривать картину образования необычных структурно-фазовых состояний на поверхности материала в результате высокоэнергетических воздействий, но и прогнозировать во времени поведение их свойств. Целью настоящих исследований является выявление и анализ закономерностей изменения структуры и свойств промышленной стали, подвергнутой комплексной обработке, которая сочетает плазменное напыление порошкового покрытия и облучение интенсивным импульсным электронным пучком. Материал и методики исследования В качестве материала исследования была использована сталь 35Л [19]. Модифицирование ее поверхности осуществляли плазменным напылением (использовали оригинальную установку с двумя плазменными генераторами [20]) порошка системы Ni-Cr-B-Si марки ПГСР-4 (0.6-1.0 % углерода, 15-18 % хрома, 3.0-4.5 % кремния, 3.0-3.8 % бора, до 5 % железа, остальное - никель) с фракцией 80-100 мкм. В качестве плазмообразующего газа использовался азот. Применение двух плазменных генераторов позволяло проводить одновременно плавление поверхностного слоя обрабатываемой детали и осуществлять внедрение в расплавленный поверхностный слой частиц порошка. Облучение модифицированного слоя стали осуществляли интенсивным импульсным электронным пучком на установке «СОЛО», оснащенной импульсным электронным источником на основе плазменного катода с сеточной стабилизацией плазменной границы [21], при следующих параметрах пучка электронов: энергия ускоренных электронов 18 кэВ, плотность энергии пучка электронов 20 и 40 Дж/см2, длительность импульсов воздействия пучка электронов 200 мкс, частота следования импульсов 0.3 с-1, количество импульсов 10; облучение проводили в аргоне при остаточном давлении 0.02 Па. Исследования элементного и фазового состава, состояния дефектной субструктуры поверхностного слоя стали до и после модифицирования проводились методами сканирующей электронной микроскопии («LEO EVO 50» («Zeiss», Германия)), рентгеновской дифрактометрии (прибор Shimadzu ХRD-7000, геометрия съемки образцов по схеме Брегга - Бретано с шагом 0.02 в угловом диапазоне 17-130). Индицирование дифрактограмм осуществляли на основе метода Ритвельда [22]. Элементный состав поверхностного слоя покрытия изучали методами микрорентгеноспектрального анализа, применяя энергодисперсионный спектрометр, который сортирует фотоны по их энергии, и волнодисперсионный спектрометр, использующий принцип разделения рентгеновского излучения по длинам волн [23]. Концентрацию элементов определяли как в отдельных структурных составляющих покрытия, так и в усредненном виде по площадям. Концентрацию атомов бора в напыленном покрытии определяли волнодисперсионным спектрометром. Механические характеристики модифицированного слоя выявляли методом микротвердометрии алмазной пирамидкой Берковича (прибор ПМТ-3). Трибологические исследования (определение износостойкости и коэффициента трения) осуществляли на трибометре Pin on Disc and Oscillating TRIBOtester (TRIBOtechnic, Франция) при следующих параметрах: шарик из стали ШХ15 диаметром 6 мм, диаметр трека - 8 мм, нагрузка на индентор и длина трека варьировались в зависимости от уровня износостойкости исследуемого материала. Результаты исследования и их обсуждение Методами сканирующей электронной микроскопии показано, что плазменное напыление порошкового покрытия приводит к формированию высокорельефной поверхности, характерное изображение которой приведено на рис. 1, а. Рис. 1. Структура поверхности образцов стали 35Л, формирующаяся в результате плазменного напыления порошкового покрытия; стрелками на (б) указаны частицы распыляемого порошка. Сканирующая электронная микроскопия В поверхностном слое наблюдаются частицы распыляемого порошка различной морфологии и различных размеров (рис. 1, б). Как правило, дополнительная обработка высокорельефных формирующихся при плазменном упрочнении материала с использованием порошков поверхностей, осуществленная концентрированными потоками энергии в режиме плавления поверхностного слоя, позволяет существенным образом снизить уровень шероховатости и увеличить однородность элементного состава модифицированного слоя материала [3, 4, 6, 7-10]. Изображения поверхности стали 35Л, подвергнутой комплексной обработке, которая сочетает плазменное напыление порошкового покрытия и последующее облучение интенсивным импульсным электронным пучком, приведены на рис. 2. Отчетливо видно, что обработка интенсивным импульсным электронным пучком модифицированной плазменным методом поверхности стали сопровождается снижением уровня шероховатости (рис. 2) и формированием ячеек дендритной кристаллизации субмикронных размеров (рис. 2, б, г). Сопоставляя фотографии структуры модифицированной поверхности, представленные на рис. 2, б, г, можно отметить, что увеличение плотности энергии пучка электронов в 2 раза приводит к кратному росту размеров структурных элементов материала. Это обусловлено, как показало компьютерное моделирование температурного поля [10, 24, 25], снижением скорости охлаждения поверхностного слоя материал с ростом плотности энергии пучка электронов. Негативным явлением, имеющим место при облучении материала концентрированными потоками энергии, является формирование на поверхности сетки микротрещин [10]. Последнее обусловлено релаксацией растягивающих упругих напряжений, формирующихся в поверхностном слое материала в результате сверхвысоких скоростей охлаждения. В исследуемом материале микротрещины образуют пространственную сетку, ячейки которой увеличиваются с ростом плотности энергии пучка электронов (рис. 2, а, в). Рис. 2. Структура поверхности образцов стали, подвергнутых плазменному напылению порошкового покрытия и последующему облучению интенсивным импульсным электронным пучком при длительности импульса 200 мкс, плотности энергии пучка электронов 20 Дж/см2 (а, б) и 40 Дж/см2 (в, г); количество импульсов воздействия пучка электронов 10. Сканирующая электронная микроскопия Результаты анализа элементного состава покрытия перед облучением электронным пучком, полученные при использовании энергодисперсионного спектрометра, приведены на рис. 3 и в табл. 1. Отчетливо видно, что поверхностный слой покрытия характеризуется существенным разбросом по концентрации легирующих элементов различных участков, имеет в своем составе большое количество примесных элементов (O, Na, Al, Cl, Ca). Микрорентгеноспектральный анализ не выявил наличия в поверхностном слое покрытия атомов углерода, что может быть обусловлено как сложностью диагностирования легких элементов, так и уходом атомов данного элемента при образовании и удалении флюса. Для сопоставления в табл. 1 (последняя колонка) приведен элементный состав исходного порошка. Сравнивая результаты анализа элементного состава исходного порошка и сформированного покрытия, следует обратить внимание на существенное снижение концентрации атомов хрома в поверхностном слое покрытия. Рис. 3. Структура (а) и энергетические спектры (б), полученные с поверхностного слоя покрытия, изображенного на (а). Состояние перед облучением электронным пучком Таблица 1 Элементный состав участков 1-5 (рис. 3, а); 6 - усредненные по площади (рис. 3, а) значения Элемент, ат. % Участок микрорентгеноспектрального анализа 1 2 3 4 5 6 Исходный порошок O (Kα) 19.86 16.08 34.19 26.13 20.46 20.5 0.0 Na (Kα) 3.06 4.34 3.95 3.94 3.43 2.8 0.0 Al (Kα) 2.80 0.72 2.06 1.94 1.41 1.6 0.0 Si (Kα) 5.52 5.42 6.43 7.26 6.36 6.3 5.5-7.5 Cl (Kα) 0.56 0.86 0.77 0.85 0.58 0.5 0.0 Ca (Kα) 0.50 0.37 2.14 0.66 0.81 0.6 0.0 Cr (Kα) 11.48 12.01 8.49 10.21 11.04 11.3 16.5-19.5 Fe (Kα) 1.56 1.89 2.52 1.79 2.33 1.9 < 5 Ni (Kα) 54.66 58.29 39.45 47.21 53.57 54.5 53.8-63.6 Результаты микрорентгеноспектрального анализа поверхностного слоя покрытия, облученного интенсивным импульсным электронным пучком, приведены в табл. 2. Анализируя представленные результаты, можно отметить существенное снижение концентрации примесных элементов в облученном покрытии. К примеру, концентрация атомов кислорода снижается с 20.5 ат. % в покрытии перед облучением до 3.9 ат. % после облучения при плотности энергии пучка 40 Дж/см2. Данная тенденция усиливается с ростом плотности энергии пучка электронов (рис. 4). Облучение покрытия электронным пучком сопровождается (с ростом плотности энергии) увеличением в поверхностном слое концентрации атомов хрома (11.3 ат. % в покрытии перед облучением и 14.4 ат. % - после облучения при плотности энергии пучка 40 Дж/см2). Следует отметить, что облучение покрытия электронным пучком приводит к повышению уровня однородности распределения элементов в поверхностном слое материала. Одним из химических элементов порошка является бор. Установлено, что в сформированном порошковом покрытии и покрытии с дополнительным облучением электронным пучком при плотности энергии пучка 20 Дж/см2 концентрация атомов бора в пределах ошибки измерения соответствует концентрации атомов бора в исходном порошке и составляет ≈ 3 вес. %. В покрытии с дополнительным облучением электронным пучком с плотностью энергии пучка 40 Дж/см2 концентрация атомов бора в поверхностном слое составляет ≈ 1 вес. %. Существенное снижение концентрации может быть обусловлено как его испарением, так и уходом в объем слоя. Таблица 2 Элементный состав участков 1-5 покрытия, облученного интенсивным импульсным электронным пучком при плотности энергии пучка электронов 40 Дж/см2; 6 - результаты элементного анализа, усредненные по площади покрытия Элемент, ат. % Участок микрорентгеноспектрального анализа 1 2 3 4 5 6 O (Kα) 3.3 2.4 6.0 2.7 2.3 3.9 Na (Kα) 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 Al (Kα) 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 Si (Kα) 5.8 5.9 6.6 7.2 5.8 6.1 Cl (Kα) 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 Ca (Kα) 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 Cr (Kα) 14.4 13.9 14.8 14.7 14.5 14.4 Mn (Kα) 0.2 0.2 0.0 0.3 0.2 0.1 Fe (Kα) 1.8 1.9 1.9 1.7 1.9 1.9 Ni (Kα) 74.5 75.7 71.7 73.4 75.3 73.6 Рис. 4. Изменение концентрации атомов в поверхностном слое плазменного покрытия, облученного интенсивным импульсным электронным пучком; кр. 1 - покрытие перед облучением; кр. 2 - облучение покрытия электронным пучком с плотностью энергии пучка 20 Дж/см2; кр. 3 - с плотностью энергии пучка 40 Дж/см2; элементы: 1 - O, 2 - Na, 3 - Al, 4 - Si, 5 - Cl, 6 - Ca, 7 - Cr, 8 - Fe, 9 - Ni, 10 - Mn Фазовый состав и состояние кристаллической решетки покрытия перед и после облучения изучали методами рентгеноструктурного анализа. На полученных с поверхностей исследуемых образцов дифрактограммах зафиксирован достаточно сложный рентгеновский спектр. Индицирование полученных с необлученного покрытия дифрактограмм позволило установить наличие твердого раствора на основе -(Ni, Сr) с небольшим (~ 8 %) содержанием упрочняющих фаз: карбидов (Cr7C3), боридов (CrB, Fe2B) и силицидов (FeSi). Облучение импульсным электронным пучком поверхности стали после плазменного напыления порошка ПГСР-4 привело к незначительному увеличению относительного содержания частиц упрочняющей фазы и повышению (на 2 ат. %) содержания хрома в твердом растворе -(Ni, Сr) на основе ГЦК-решетки. Данный результат хорошо согласуется с результатами, полученными методами микрорентгеноспектрального анализа. Механические свойства образцов стали 35Л, модифицированной путем формирования плазменно напыленного слоя с использованием порошка марки ПГСР-4 (система Ni-Cr-B-Si) и последующего облучения интенсивным импульсным электронным пучком, характеризовали микротвердостью. Показано, что комбинированная обработка поверхности стали позволяет сформировать упрочненный слой толщиной до 1500 мкм, микротвердость которого превышает микротвердость подложки (сталь 35Л) в 4.6-6.5 раз. Трибологические испытания стали в исходном состоянии и после модифицирования показали, что наиболее высокой износостойкостью обладают образцы, подвергнутые комплексной обработке, которая сочетает формирование плазменно напыленного слоя и последующее облучение электронным пучком с плотностью энергии пучка электронов 20 Дж/см2. В этом случае износостойкость материала превышает износостойкость исходной стали более чем в 4 раза. Образцы при таком режиме поверхностной обработки характеризуются постоянством коэффициента трения (рис. 5), что свидетельствует о высоком уровне износостойкости материала. Увеличение плотности энергии пучка до 40 Дж/см2 приводит к снижению этой характеристики; износостойкость модифицированной поверхности в 2.4 раза ниже соответствующего значения исходной стали. Рис. 5. Зависимость коэффициента трения от времени испытания стали 35Л с плазменным покрытием (а) и после дополнительного облучения интенсивным импульсным электронным пучком с плотностью энергии пучка 20 Дж/см2 (б) и 40 Дж/см2 (в) Анализ микрофотографий дорожек износа позволил установить, что на поверхности после плазменного напыления порошка имеется достаточно большое количество продуктов износа в виде окисленного материала исходного образца (рис. 6). Такое строение дорожек свидетельствует о нормальном механохимическом изнашивании при трении. Было установлено, что максимальная глубина изношенного слоя достигает значений порядка 5-7 мкм. Рис. 6. Профилограмма поперечного сечения дорожки трения стального образца после плазменного напыления порошка ПГСР-4 Анализ профилограмм поперечного сечения дорожек трения после плазменного напыления порошка и облучения пучком с плотностью энергии 40 Дж/см2 позволил установить, что основные закономерности процесса трения сохраняются, но увеличивается интенсивность изнашивания. На поверхности дорожек начинают проявляться следы не только механохимического изнашивания, но и усталостного выкрашивания и вырывания материала с поверхности. Увеличение интенсивности изнашивания характеризуется ростом глубины изношенного слоя, составляющей в данном случае 12-15 мкм. Выводы Анализ изменений структуры и свойств стали в результате комплексной обработки, которая сочетает плазменное напыление порошкового покрытия и облучение интенсивным импульсным электронным пучком, позволил установить ряд закономерностей. Показано, что плазменное напыление порошкового покрытия приводит к формированию высокорельефной поверхности, содержащей микро- и макропоры и характеризующейся наличием большого количества примесных элементов и пониженной (относительно исходного порошка) концентрацией хрома. Последующая обработка поверхности интенсивным импульсным электронным пучком субмиллисекундной длительности в режиме плавления поверхностного слоя сопровождается выглаживанием поверхности покрытия, формированием ячеек дендритной кристаллизации субмикронных размеров, существенным снижением концентрации примесных элементов, увеличением концентрации атомов хрома в поверхностном слое. Выявлено формирование в модифицированном слое частиц боридов (CrB, Fe2B), силицидов (FeSi) и карбидов (Cr7C3) железа и хрома, являющихся упрочняющими фазами стали. Показано, что комплексная обработка, сочетающая напыление порошкового покрытия и последующее облучение интенсивным импульсным электронным пучком (18 кэВ, 20 Дж/см2, 200 мкс, 10 имп., 0.3 с-1), приводит к формированию упрочненного слоя толщиной до 1500 мкм, микротвердость которого в 4.6-6.5 раз, а износостойкость более чем в 4 раза превышает соответствующие характеристики исходной стали.

Скачать электронную версию публикации