Научная статья на тему 'Легирование поверхности углеродистой стали медью путем электрического взрыва проводника и последующей электронно-пучковой обработки'

Легирование поверхности углеродистой стали медью путем электрического взрыва проводника и последующей электронно-пучковой обработки Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

CC BY
559
131
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
электровзрывное легирование / электронно-пучковая обработка / меднение / элементный и фазовый состав / дефектная субструктура / профиль микротвердости / electroexplosive doping / electron beam treatment / copper plating / elemental and phase composition / defect substructure / microhardness profile

Аннотация научной статьи по нанотехнологиям, автор научной работы — Иванов Юрий Федорович, Филимонов Семён Юрьевич, Тересов Антон Дмитриевич, Колубаева Юлия Александровна, Будовских Евгений Александрович

Представлены результаты анализа элементного и фазового состава, дефектной структуры и профиля микротвердости углеродистой стали, подвергнутой комплексной обработке, состоящей в ее электровзрывном легировании медью и последующем электронно-пучковом облучении. Выявлено кардинальное изменение структуры и кратное (в 5…6 раз по отношению к сердцевине образца) увеличение микротвердости поверхности.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по нанотехнологиям , автор научной работы — Иванов Юрий Федорович, Филимонов Семён Юрьевич, Тересов Антон Дмитриевич, Колубаева Юлия Александровна, Будовских Евгений Александрович

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

The results of analysis of elemental and phase composition, defect structure and micro-hardness profile of carbon steel subjected to combined treatment consisting in its electroexplosive doping with copper and following electron beam treatment have been introduced. Cardinal change of the structure and multiple increase (in 5…6 times towards the sample core) of surface micro-hardness is determined.

Текст научной работы на тему «Легирование поверхности углеродистой стали медью путем электрического взрыва проводника и последующей электронно-пучковой обработки»

УДК 621.785

ЛЕГИРОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТИ УГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ МЕДЬЮ ПУТЕМ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ВЗРЫВА ПРОВОДНИКА И ПОСЛЕДУЮЩЕЙ ЭЛЕКТРОННО-ПУЧКОВОЙ ОБРАБОТКИ

Ю.Ф. Иванов, С.Ю. Филимонов*, А.Д. Тересов, Ю.А. Колубаева, E.A. Будовских**, В.Е. Громов**

Институт сильноточной электроники, г. Томск *Томский политехнический университет **Сибирский государственный индустриальный университет, г. Новокузнецк E-mail: yufi@mail2000.ru

Представлены результаты анализа элементного и фазового состава, дефектной структуры и профиля микротвердости углеродистой стали, подвергнутой комплексной обработке, состоящей в ее электровзрывном легировании медью и последующем электронно-пучковом облучении. Выявлено кардинальное изменение структуры и кратное (в 5...6 раз по отношению к сердцевине образца) увеличение микротвердости поверхности.

Ключевые слова:

Электровзрывное легирование, электронно-пучковая обработка, меднение, элементный и фазовый состав, дефектная субструктура, профиль микротвердости. Key words:

Electroexplosive doping, electron beam treatment, copper plating, elemental and phase composition, defect substructure, microhar-dness profile.

Введение

В последние десятилетия широкое распространение получили методы обработки металлов и сплавов, основанные на использовании концентрированных потоков энергии (потоки плазмы, мощные ионные пучки и пучки электронов, лучи лазера) [1, 2]. Перспективным считается комплексная обработка материала, сочетающая несколько методов воздействия. Такой подход позволяет минимизировать недостатки отдельно взятых методов и усилить их достоинства [3-5]. Одним из методов модифицирования поверхности материалов, основанным на использовании концентрированных потоков энергии, является электровзрывное легирование [6, 7].

Электровзрывное легирование металлов и сплавов осуществляется при импульсном воздействии на поверхность многофазных плазменных струй, с формированных при электрическом взрыве проводников. Установки электровзрывного легирования, как правило, включают в себя емкостный накопитель энергии и плазменный ускоритель, состоящий из электродов с размещенным на них взрываемым проводником, разрядной камеры, локализующей продукты взрыва, и формирующего сопла, по которому они истекают в вакуумирован-ную технологическую камеру с некоторым остаточным давлением.

Продукты электрического взрыва представляют собой многофазную систему, включающую как плазменный компонент, так и конденсированные частицы различной дисперсности [6, 7]. При формировании струи ее фронт образует плазменный компонент, конденсированные же частицы, обладая большей инертностью, располагаются в тылу струи. Это приводит не только к поверхностному легированию, но и формированию покрытия, являющегося, как правило, высокопористым, содер-

жащим большое количество капельной фракции, микрократеров и микротрещин, что существенно снижает служебные характеристики обработанной детали. Одним из способов устранения данного недостатка электровзрывного метода легирования материала является дополнительная обработка поверхности концентрированными потоками энергии. В настоящей работе для этой цели были использованы низкоэнергетические сильноточные электронные пучки субмиллисекундной длительности воздействия. Применение таких пучков для обработки поверхности материалов позволяет сконцентрировать за короткий промежуток времени (10-5...10-4с) высокую плотность энергии (10...100 Дж/см2) в тонком (0,1...10 мкм) приповерхностном слое [8. Р. 205-240]. Сверхвысокие скорости разогрева до температур плавления и последующее высокоскоростное охлаждение тонкого приповерхностного слоя образца формируют нано-и субмикрокристаллические многофазные состояния, недостижимые для традиционных методов термической и термомеханической обработки [9].

Материалы на основе сочетания элементов железо-медь (сталь-медь) к настоящему времени нашли широкое применение в различных отраслях промышленности, несмотря на сложности формирования, обусловленные ограниченной взаимной растворимостью данных элементов в равновесных условиях [10-14].

Целью работы являлось насыщение поверхностного слоя стали 45 медью методом, сочетающим электровзрывное легирование и последующую электронно-пучковую обработку, анализ ее структуры и свойств.

Материал и методика исследования

В качестве материала подложки использовали образцы углеродистой стали 45 в отожженном со-

стоянии (т. е. обладающей феррито-перлитной структурой). Образцы имели форму цилиндров толщиной 10 мм и диаметром 25 мм. Электровзрывное легирование (СибГИУ, г. Новокузнецк) осуществляли на установке, использующей коак-сиально-торцевые электроды, путем электрического взрыва медных фольг толщиной 20 мкм. Натека-ние струи на облучаемую поверхность при данном способе обработки сопровождается образованием вблизи нее ударно-сжатого слоя с высокими значениями температуры (~104К) и давления (~13 МПа). Это обеспечивало поглощаемую плотность мощности 5,5 ГВт/м2 и делало возможным оплавление и легирование поверхностных слоев за малое время воздействия (100 мкс) без выплеска расплава; остаточное давление в технологической камере ~100 Па [6]. Электронно-пучковую обработку поверхности проводили в ИСЭ СО РАН на установке «СОЛО» [15]. Плотность энергии пучка электронов изменяли с шагом в 5 Дж/см2 от 15 до 30 Дж/см2, число импульсов воздействия 10 при длительности импульса 50 мкс и частоте следования импульсов 0,3 Гц; обработку проводили в среде аргона при давлении 10-2Па. Исследования структуры и элементного состава стали осуществляли методами световой (на микроскопе OLYMPUS GX71) и сканирующей электронной микроскопии на микроскопе Philips SEM 515. Изменение механических характеристик материала характеризовали микротвердостью, определяемой по методу

Виккерса при нагрузке 0,98 Н по 80...100 отпечаткам на микротвердомере ПМТ-3. Погрешность измерения составила ~7 %.

Результаты исследований и их обсуждение

Исследования, выполненные методами световой микроскопии поперечного шлифа, позволили показать, что в результате электровзрывного меднения в приповерхностном объеме образца формируется многослойная структура: слой жидкофаз-ного легирования толщиной 11 мкм, следующий за ним слой термического влияния толщиной ~12,5 мкм, плавно переходящий в основной объем [16]. Слой жидкофазного легирования и слой термического влияния разделены зубчатой границей, формирование которой обусловлено течением расплава вдоль поверхности обработки [6, 7].

В связи с тем, что продукты электрического взрыва представляют собой многофазную систему, наряду с легированием электровзрывная обработка приводит к формированию на обрабатываемой поверхности высокодефектного покрытия (рис. 1, а). Последующая электронно-пучковая обработка образца в указанном выше режиме работы электронного источника приводит к плавлению и выглаживанию поверхностного слоя. При плотности энергии пучка электронов ~15 Дж/см2 реализуется режим начального плавления. Поверхность легирования выглаживается, однако остаются островки исходного покрытия (рис. 1, б). Плавление покры-

Рис. 1. Структура поверхности (а-в) и поперечного сечения (г) образца стали 45 после электровзрывного меднения (а) и последующей электронно-пучковой обработки (б-г) по режиму 15 Дж/см2; 10 имп.; 50 мкс. На (г): 1) слой жидкофазного легирования; 2) слой термического влияния; 3) основной объем стали

тия сопровождается формированием многочисленных капель меди, размеры которых изменяются в пределах от 2 до 10 мкм (рис. 1, в). Термоупругие напряжения, формирующиеся в поверхностном слое стали в результате высоких скоростей охлаждения, инициируют процесс трещинообразования (рис. 1, в). Микротрещины в большинстве случаев расположены хаотически на поверхности обработки. Толщина слоя жидкофазного легирования и слоя термического влияния, созданные при электровзрывном меднении стали, при данном режиме электронно-пучковой обработки практически не изменяются (рис. 1, г).

Увеличение плотности энергии пучка электронов до 20 Дж/см2 (10 имп.; 50 мкс) приводит к существенному изменению структуры поверхности электровзрывного легирования. Во-первых, формируется регулярная сетка микротрещин (рис. 2, а). Расстояние между микротрещинами изменяется в пределах от 20 до 65 мкм. Во-вторых, обнаруживаются микрократеры (рис. 2, а). В-третьих, выявляется структура дендритной кристаллизации (рис. 2, б, в). Размеры дендритов изменяются в пределах от 0,2 до 0,5 мкм. Анализируя структуру дендритной кристаллизации, можно выделить образования равноосной формы, эллипсоидальной формы и образования эллипсоидальной формы с боковыми отростками (рис. 2, б, в). Каждый из выделенных типов дендритов формирует замкнутые, разориентированные друг относительно друга, области на поверхности кристаллизации.

Размеры таких областей изменяются в пределах от 1,5 до 5,5 мкм. Очевидно, что данные разориентированные области являются зернами подповерхностного слоя стали, ориентация которых относительно поверхности обработки задает морфологию и направление роста дендритов. Анализ структуры поперечного сечения данного образца показал, что увеличение плотности энергии пучка электронов с 15 до 20 Дж/см2 (10 имп.; 50 мкс) сопровождается ростом толщины слоя жидкофазного легирования в ~1,4 раза (рис. 2, г).

Увеличение плотности энергии пучка электронов до 30 Дж/см2 (10 имп.; 50 мкс.), качественно не меняя структуры поверхности облучения (относительно структуры поверхности образца, обработанного электронным пучком с плотностью энергии 20 Дж/см2), приводит к некоторым количественным изменениям. А именно: увеличиваются расстояние между микротрещинами (изменяется в пределах от 30 до 85 мкм), размеры зерен подповерхностного слоя (изменяются в пределах от 5 до 11 мкм), толщина слоя термического влияния в ~1,7раза и слоя жидкофазного легирования в ~1,5 раза (по отношению к данным параметрам образца, подвергнутого только лишь электровзрывному легированию); размеры дендритов практически не изменяются.

Параллельно с исследованием структуры поверхности меднения методами сканирующей электронной микроскопии был осуществлен элементный анализ поверхностного слоя с целью опреде-

ления концентрации в нем меди (исследования осуществлялись на растровом электронном микроскопе Philips SEM 515, оснащенном микроанализатором EDAX ECON IV). Профили концентрации меди строили, используя методику косого шлифа (угол наклона плоскости шлифа к поверхности обработки ~7°). Результаты исследования представлены на рис. 3. Из представленных на рис. 3 результатов следует, что атомы меди обнаруживаются в слое толщиной 13...14 мкм, т. е. в слое, который плавится при электровзрывном легировании и электронно-пучковой обработке. Концентрация меди максимальна у поверхности обработки и быстро спадает по мере удаления вглубь образца. Электронно-пучковая обработка стали в режиме активного плавления приводит к многократному снижению концентрации меди в поверхностном слое как в результате диффузии меди в объем материала (при плотности энергии пучка электронов ES=20 и 25 Дж/см2), так и в результате испарения (ES=30 Дж/см2).

два максимума (один - на поверхности, второй в подповерхностном слое). Профили первой группы выявлены на образце, подвергнутом электровзрывному меднению (на рис. 4 - исходный) и образце после дополнительной обработки при плотности энергии пучка электронов £^=15 Дж/см2, при которой реализуется, как было установлено при исследовании структуры поверхности обработки, режим начального плавления поверхности (рис. 1). Профили второй группы выявлены на образцах, обработка поверхности меднения электронным пучком которых осуществлялась в режиме активного плавления (Д>20 Дж/см2). Отчетливо видно, что активное плавление поверхности электровзрывного меднения сопровождается существенным увеличением микротвердости поверхностного слоя (рис. 4, кривые 2-4). Максимальные значения микротвердости поверхностного слоя стали выявлены в образце, обработанном электронным пучком при Е=30 Дж/см2, минимальные - после облучения электронным пучком при Е=15 Дж/см2.

X, мкм

Рис. 3. Профиль концентрации меди в поверхностном слое стали, подвергнутой электровзрывному меднению и последующей электронно-пучковой обработке при плотности энергии пучка электронов (Дж/см2): 1) 15; 2) 20; 3) 25; 4) 30 (10 имп.; 50 мкс; 0,3 Гц)

Очевидно, что столь существенное изменение структуры и элементного состава поверхностного слоя стали должно способствовать изменению механических свойств материала, которые характеризовали путем определения микротвердости. Профили микротвердости образцов стали после электровзрывного легирования и дополнительной электронно-пучковой обработки строили, используя методику косого шлифа (угол наклона плоскости шлифа к поверхности обработки ~7°). Анализируя результаты, представленные на рис. 4, можно отметить, что по характеру изменения микротвердости от расстояния до поверхности обработки представленные на рис. 4 зависимости разделяются на две группы.

К первой отнесем профили микротвердости, имеющие один максимум, располагающийся в подповерхностном слое на глубине ~7 мкм; ко второй - профили микротвердости, имеющие

Рис. 4. Профиль микротвердости стали, подвергнутой электровзрывному легированию медью (исходный) и последующей электронно-пучковой обработке при плотности энергии пучка электронов (Дж/см2): 1) 15; 2) 20; 3) 25; 4) 30 (10 имп.; 50 мкс; 0,3 Гц). ЗЛ - зона жидкофазного легирования; ЗТВ - зона термического влияния

Очевидно, что кратное увеличение микротвердости поверхностного слоя стали, подвергнутой электровзрывному легированию медью и последующей электронно-пучковой обработке, обусловлено модификацией элементного и фазового со-

HV

1400 1200 1000800600 400

12

16

20

24

Cu, мас.%

Рис. 5. Зависимость твердости поверхностного слоя стали 45, подвергнутой электровзрывному меднению и последующей электронно-пучковой обработке, от концентрации меди в стали

става, а также дефектной структуры материала. Представленные в настоящей работе результаты позволяют осветить роль меди в увеличении микротвердости стали. На рис. 5 приведена зависимость микротвердости поверхности легирования стали от концентрации в ней меди. Анализируя представленную зависимость, можно отметить, что с увеличением концентрации атомов меди в поверхностном слое стали ее микротвердость уменьшается. По мере уменьшения концентрации меди

микротвердость поверхностного слоя увеличивается, демонстрируя тенденцию к насыщению.

Заключение

Выполнено легирование стали 45 медью посредством электрического взрыва проводника и последующей электронно-пучковой обработки. Выполнены исследования структуры и элементного состава приповерхностного слоя. Установлено, что электровзрывное легирование стали медью сопровождается формированием многослойной структуры, состоящей из высокодефектного покрытия, слоя плавления и слоя термического влияния, плавно переходящего в основной объём стали. В результате электровзрывного легирования микротвердость поверхностного слоя стали увеличивается в ~3,5 раза по отношению к микротвердости сердцевины образца. Последующее электронно-пучковое облучение сопровождается выглаживанием поверхности образца в результате плавления поверхностного слоя, снижением концентрации меди на поверхности обработки за счет диффузии в объем материала и частичного испарения, кратным (в ~6 раз по отношению к микротвердости сердцевины образца) увеличением микротвердости. Показано, что избыточная концентрация меди приводит к снижению микротвердости стали.

Работа выполнена при частичной финансовой поддержке грантов РФФИ (проекты № 08-02-00024, 08-08-92207, 09-02-90456), а также совместного проекта фундаментальных исследований НАН Беларуси и СО РАН № 7.

4

8

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Крапошин В.С. Термическая обработка стали и сплавов с применением лазерного луча и прочих прогрессивных видов нагрева // Итоги науки и техники. Металловедение и термическая обработка. - М.: ВИНИТИ, 1987. - Т. 21. - С. 144-206.

2. Грибков В.А., Григорьев Ф.И., Калин Б.А., Якушин В.Л. Перспективные радиационно-пучковые технологии обработки металлов. - М.: Круглый год, 2001. - 528 с.

3. Чудина О.В. Комбинированные методы поверхностного упрочнения сталей с применением лазерного нагрева: теория и технология. - М.: МАДИ (ГТУ), 2003. - 248 с.

4. Приходько В.М., Петрова Л.Г., Чудина О.В. Металлофизиче-ские основы разработки упрочняющих технологий. - М.: Машиностроение, 2003. - 384 с.

5. Чудина О.В., Александров В.А., Уханов Н.В., Самойлов В.И. Повышение износостойкости конструкционных сталей комбинированным методом термодиффузионного упрочнения // Упрочняющие технологии и покрытия. - 2007. - № 4. -С. 29-33.

6. Будовских Е.А., Сарычев В.Д., Громов В.Е., Носарев П.С., Мартусевич Е.В. Основы технологии обработки поверхности материалов импульсной гетерогенной плазмой. - Новокузнецк: Изд-во СибГИУ, 2002. - 170 с.

7. Багаутдинов А.Я., Будовских Е.А., Иванов Ю.Ф., Громов В.Е. Физические основы электровзрывного легирования металлов и сплавов. - Новокузнецк: Изд-во СибГИУ, 2007. - 301 с.

8. Rotshtein V., Ivanov Yu., Markov A. Materials surface processing by directed energy techniques. Surface treatment of materials with low-energy, high-current electron beams. Charter 6 in Book / Ed. by Y. Pauleau. - Grenoble: Elsevier, 2006. - 763 р.

9. Коваль Н.Н., Иванов Ю.Ф. Наноструктурирование поверхности металлокерамических и керамических материалов при импульсной электронно-пучковой обработке // Известия вузов. Физика. - 2008. - Т. 51. - № 5. - С. 60-70.

10. Вол А.Е. Строение и свойства двойных металлических систем. - М.: Гос. изд-во физ.-мат. лит-ры, 1962. - Т. 2. - 984 с.

11. Двойные и многокомпонентные системы на основе меди / Отв. ред. Н.Х. Абрикосов. - М.: Наука, 1979 г. - 248 с.

12. Кубашевски О. Диаграммы состояния двойных систем на основе железа. Справочное издание. - М.: Металлургия, 1985. -184 с.

13. Банных О. А., Будберг П.Б., Алисова С. П. и др. Диаграммы состояния двойных и многокомпонентных систем на основе железа. - М.: Металлургия, 1986. - 440 с.

14. Диаграммы состояния двойных металлических систем / под ред. Н.П. Лякишева. - М.: Машиностроение, 1996. - Т. 1. -992 c.

15. Devyatkov V.N., Koval N.N., Schanin P.M., Grigoryev V.P., Ko-val T.V. Generation and propagation of high-current low-energy electron beams // Laser and Particle Beams. - 2003. - V. 21. -№ 2. - P. 243-248.

16. Вострецова А.В., Ващук Е.С., Будовских Е.А., Иванов Ю.Ф., Громов В.Е. Влияние параметров электронно-пучковой обработки на микротвердость поверхности стали 45 после электровзрывного меднения // Материаловедение и термическая обработка металлов: Междунар. сб. науч. тр. / под ред. А.Н. Емелюшина и Е.В. Петроченко. - Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2009. - С. 209-212.

Поступила 09.06.2010 г.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.