Структурно-фазовое состояние и свойства стали после плазменно-электронной модификации
Приведены результаты исследования фазового и элементного состава, состояния дефектной субструктуры, механических и трибологических свойств модифицированной поверхности стали 35Л. Модификация сочетала плазменное напыление порошкового покрытия на основе системы Ni-Cr-B-Si и последующее облучение интенсивным импульсным электронным пучком. Показано, что плазменное напыление порошкового покрытия приводит к формированию высокорельефной поверхности, содержащей микро- и макропоры. Последующая обработка модифицированной поверхности интенсивным импульсным электронным пучком субмиллисекундной длительности в режиме плавления поверхностного слоя сопровождается выглаживанием поверхности покрытия, насыщением кристаллической решетки поверхностного слоя атомами Ni, Cr, B и Si, формированием ячеек дендритной кристаллизации субмикронных размеров, выделением наноразмерных частиц второй фазы и образованием закалочной структуры. В совокупности это приводит к формированию упрочненного слоя толщиной до 1500 мкм, микротвердость которого в 4.6-6.5 раз, а износостойкость в 4 раза превышает соответствующие характеристики исходной стали.
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.
Ключевые слова
properties,
structure,
surface alloy,
intense pulsed electron beam,
plasma,
powder material,
boronization,
свойства,
структура,
поверхностный сплав,
интенсивный импульсный электронный пучок,
плазма,
порошковый материал,
борированиеАвторы
Иванов Юрий Федорович | Институт сильноточной электроники СО РАН | д.ф.-м.н., гл. науч. сотр. | yufi55@mail.ru |
Потекаев Александр Иванович | Национальный исследовательский Томский государственный университет; Сибирский физико-технический институт им. В.Д. Кузнецова Томского государственного университета | д.ф.-м.н., профессор НИ ТГУ, директор СФТИ ТГУ | kanc@spti.tsu.ru |
Клопотов Анатолий Анатольевич | Сибирский физико-технический институт им. В.Д. Кузнецова Томского государственного университета; Томский государственный архитектурно-строительный университет | д.ф.-м.н., ст. науч. сотр. СФТИ ТГУ, профессор ТГАСУ | klopotovaa@tsuab.ru |
Абзаев Юрий Афанасьевич | Томский государственный архитектурно-строительный университет | д.ф.-м.н., профессор | abzaev2010@yandex.ru |
Калашников Марк Петрович | Институт физики прочности и материаловедения СО РАН | ведущ. технолог | kmp1980@mail.ru |
Чумаевский Андрей Валерьевич | Институт физики прочности и материаловедения СО РАН | к.т.н., мл. науч. сотр. | tch7av@gmail.com |
Волокитин Геннадий Григорьевич | Томский государственный архитектурно-строительный университет | д.т.н., профессор, зав. каф. прикладной механики и материаловедения | vgg-tomsk@mail.ru |
Петрикова Елизавета Алексеевна | Институт сильноточной электроники СО РАН | мл. науч. сотр. | elizmarkova@yahoo.com |
Тересов Антон Дмитриевич | Институт сильноточной электроники СО РАН | ведущ. электроник | tad514@sibmail.com |
Шубин Андрей Юрьевич | Сибирский физико-технический институт им. В.Д. Кузнецова Томского государственного университета | инженер-исследователь | kanc@spti.tsu.ru |
Всего: 10
Ссылки
Иванов Ю.Ф., Петрикова Е.А., Иванова О.В. и др. // Изв. вузов. Физика. - 2015. - Т. 58. - № 3. - С. 82-88.
Иванов Ю.Ф., Петрикова Е.А., Иванова О.В. и др. // Изв. вузов. Физика. - 2015. - Т. 58. - № 4. - С. 46-51.
Брандон Д., Каплан У. Микроструктура материалов. Методы исследования и контроля. - М.: Техносфера, 2004. - 384 с.
Клопотов А.А., Абзаев Ю.А., Потекаев А.И. и др. Физические основы рентгеноструктурного исследования кристаллических материалов. - Томск: Изд-во ТПУ, 2013.
Электронно-ионно-плазменная модификация поверхности цветных металлов и сплавов / под общ. ред. Н.Н. Коваля и Ю.Ф. Иванова. - Томск: Изд-во НТЛ, 2016. - 312 с.
Власов В.А., Волокитин Г.Г, Скрипникова Н.К., Волокитин О.Г. Плазменные технологии создания и обработки строительных материалов. - Томск: Изд-во НТЛ, 2018. - 512 с.
Марочник сталей и сплавов / под общ. ред. Ю.Г. Драгунова и А.С. Зубченко. - М.: Машиностроение, 2014. - 1216 с.
Потекаев А.И., Клопотов А.А., Козлов Э.В., Кулагина В.В. // Изв. вузов. Физика. -2011. - Т. 54. - № 9. - С. 59-69.
Потекаев А.И., Морозов М.М., Клопотов А.А. и др. // Изв. вузов. Черная металлургия. - 2015. - Т. 58. - № 8. - С. 589-596.
Конева Н.А., Тришкина Л.И., Потекаев А.И. Козлов Э.В. Структурно-фазовые превращения в слабоустойчивых состояниях металлических систем при термосиловом взаимодействии / под общ. ред. A.И. Потекаева. - Томск: Изд-во НТЛ, 2015. - 344 с.
Потекаев А.И., Клопотов А.А., Козлов Э.В., Кулагина В.В. Слабоустойчивые предпереходные структуры в никелиде титана. - Томск: Изд-во НТЛ, 2004. - 296 с.
Кислицин С.Б., Углов В.В., Клопотов А.А. и др. // Фундаментальные проблемы современного материаловедения. - 2018. - Т. 15. - № 3. - С. 356-360.
Иванов Ю.Ф., Москвин П.В., Петрикова Е.А. и др. // Фундаментальные проблемы современного материаловедения. - 2018. - Т. 15. - № 1. - С. 114-123.
Klopotov A.A., Abzaev Y.A., Ivanov Y.F., et al. // Int. Congress on Energy Fluxes and Radiation Effects. Book of abstracts. - Tomsk, 2018. - P. 378.
Klopotov A.A., Ivanov Yu.F., Abzaev Yu.A., et al. // IOP Conf. Series: J. Phys.: Conf. Series. - 2018. - V. 1115. - Р. 032038.
Эволюция структуры поверхностного слоя стали, подвергнутой электронно-ионно-плазменным методам обработки / под общ. ред. Н.Н. Коваля и Ю.Ф. Иванова. - Томск: Изд-во НТЛ, 2016. - 304 с.
Иванов Ю.Ф., Потекаев А.И., Тересов А.Д. и др. // Изв. вузов. Физика. - 2019. - Т. 62. - № 4. - C. 102-108.
Ivanov Yu.F., Potekaev A.I., Petrikova E.A., et al. // IOP Conf. Series: Mater. Sci. Eng. - 2015. - V.81. - Р. 012009.
Ivanov Yu., Klopotov A., Potekaev A., et al. // IOP Conf. Series: Mate. Sci. Eng. - 2017. - V.168. - Р. 012070.
Иванов Ю.Ф., Клопотов А.А., Потекаев А.И. и др. // Изв. вузов. Физика. - 2017. - Т. 60. - № 1. - С. 150-155.
Ivanov Y.F., Teresov A.D., Ivanova O.V., et al. // J. Phys.: Conf. Series. - 2015. - V. 652. - No. 1. - P. 012015.
Иванов Ю.Ф., Коваль Н.Н. // Структура и свойства перспективных металлических материалов / под общ. ред. А.И. Потекаева. - Томск: Изд-во НТЛ, 2007. - С. 345-382.
Коваль Н.Н., Иванов Ю.Ф. // Изв. вузов. Физика. - 2008. - Т. 51. - № 5. - С. 60-70.
Потекаев А.И., Клопотов А.А., Иванов Ю.Ф., Волокитин О.Г. // Изв. вузов. Физика. - 2013. - Т. 60. - № 8. - С. 60-65.
Рыкалин Н.Н., Углов А.А., Кокора А.Н. Лазерная обработка материалов. - М.: Машиностроение, 1975. - 370 с.