CC BY
56
Модифицирование структуры поверхностного слоя конструкционной стали ударным ультразвуковым и импульсным электронно-лучевым воздействиями
Е.А. Колубаев, О.В. Сизова, А.И. Толмачев, Ю.А. Колубаева1, Ю.Ф. Иванов1,
В.Н. Девятков1, И.М. Гончаренко1, Н.Н. Коваль1, П.М. Щанин1
Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Томск, 634021, Россия 1 Институт сильноточной электроники СО РАН, Томск, 634055, Россия
Показано, что в поверхностном слое цементированной стали 15Н3МА после обработки импульсным низкоэнергетическим электронным пучком формируется сложное структурно-фазовое состояние, которое характеризуется наличием феррита, аустенита и цементита. Образование мартенсита зависит от длительности импульсов и их количества. Ультразвуковая ударная обработка цементированной стали, предшествующая электронной, кардинально изменяет фазовый состав поверхностного слоя, в котором остается лишь феррит.
Modification of surface layer structure of structural steel by ultrasonic impact and pulsed electron-beam treatment
E.A. Kolubaev, O.V. Sizova, A.I. Tolmachev, Yu.A. Kolubaeva, Yu.F. Ivanov,
V.N. Devyatkov, I.M. Goncharenko, N.N. Koval, and P.M. Schanin
It is shown that complex structural and phase state forms in the surface layer of cemented 15N3MA steel after pulsed low-energy electron beam treatment. This state is characterized by the presence of ferrite, austenite and cementite. Formation of martensite is in dependence of pulse duration and number of pulses. Ultrasonic impact treatment of cemented steel made before electron beam treatment changes phase composition of the surface layer where only ferrite presents.
Исследования процессов термической и химикотермической обработки сталей и связанное с ними изучение структурных и фазовых превращений направлены, прежде всего, на решение практических задач поиска эффективных путей улучшения служебных характеристик конструкционных материалов. К настоящему времени установлены многие важные закономерности формирования структуры материалов при термическом воздействии, разработаны многочисленные приемы и способы улучшения их физико-механических свойств. Однако с развитием новейших технологий обработки материалов, например, импульсных — лазерных, электронно- и ионнолучевых — обозначились новые проблемы, обусловленные высокоскоростным процессом нагрева и охлаждения металла. К этим проблемам можно отнести [1, 2] неравномерное растворение низкотемпературных фаз, которое зависит от морфологии данных
фаз, и низкую скорость диффузионных процессов по сравнению со скоростью нагрева и охлаждения, что ведет к концентрационному расслоению. Кроме того, в эвтектоидных сталях образуется большое количество аустенита и возникают сложные внутренние напряжения, величина которых сравнима с прочностью поверхностного слоя [3]. В углеродистых сталях выявлено несколько этапов перлито-аустенитного превращения при высокоскоростном плавлении и кристаллизации поверхностного слоя в результате импульсной электронно-лучевой обработки, которые различаются степенью растворения пластин цементита [4]. Структура, полученная при такой обработке, является неравновесной, и нельзя гарантировать, что в процессе эксплуатации изделия материал, из которого оно изготовлено, не начнет изменять свои свойства в результате изменения структурно-фазового состояния. Все это ограни-
© Колубаев Е.А., Сизова О.В., Толмачев А.И., Колубаева Ю.А., Иванов Ю.Ф., Девятков В.Н., Гончаренко И.М., Коваль Н.Н., Щанин П.М., 2004
Таблица 1
Параметры решетки фаз после различных видов обработки
Вид обработки аа, A ау»A c ^, A
1 Цементация 2.8660
2 Цементация + ультразвуковая обработка 2.8666
З Цементация + обработка электронным пучком 2.8642 З.6267 З.0455
4 Цементация + ультразвуковая обработка + обработка электронным пучком 2.8752
чивает применение высокоэнергетических импульсных воздействий для повышения служебных характеристик изделий.
В работе [3] рекомендована технология модификации структуры поверхностного слоя инструментальной стали 9X1, включающая электронно-лучевую обработку предварительно закаленной стали и последующий отпуск. Выравнивание концентрации углерода при нагреве под закалку исключает расслоение материала по составу в процессе электронной обработки, приводит к измельчению зеренной структуры и повышению твердости, что обеспечивает получение более высоких характеристик стали, по сравнению с полученными при традиционной обработке. По всей вероятности, существуют и другие способы воздействия на поверхность материала, которые в комплексе с электронно-лучевой обработкой способны сформировать поверхностный слой с высокими и стабильными эксплуатационными свойствами.
В данной работе изучали изменение структуры, фазового состава и твердости поверхностного слоя цементированной стали 15Н3МА (0.15%С, 3.2%Ni,
0.89 % Мо) в результате высокоинтенсивной ультразвуковой ударной обработки поверхности металла в сочетании с обработкой импульсным низкоэнергетическим сильноточным электронным пучком. Поверхностную обработку образцов стали после цементации производили с помощью ультразвуковой установки УЗТК-18/22. Электронно-лучевую обработку образцов осуществляли на установке SOLO. Параметры пучка: энергия ускоренных электронов U~ 15 кэВ; ток пучка I~ 60 А; длительность импульсов тока пучка т~ 30 и 50 мкс; частота следования импульсов тока пучкаf~1 Гц; диаметр пучка в плоскости поверхности образца D ~ 1.6 см; плотность энергии пучка ES = 10 Дж/см2. Количество импульсов воздействия N от 5 до 30; давление в вакуумной камере p ~ 10-2 Па. Исследования структуры стали проводили методами оптической (Neop^^), сканирующей (SEM-515 Philips) микроскопии и методом рентгеноструктурного анализа (ДРОН-4). О механических свойствах материала судили по значениям микротвердости образцов.
В результате цементации в поверхностном слое стали на глубине до 1 мм сформировалась структура пластинчатого перлита твердостью 300-320 НУ, фрагменты которого были окружены сеткой цементита. Данные рентгеноструктурного анализа подтвердили наличие фаз феррита и цементита, характерных для перлита. Параметр решетки а-фазы близок к табличному значению (2.8664 А) и представлен в таблице 1.
При электронно-лучевой обработке произошло существенное изменение структурно-фазового состояния цементированного слоя. На глубине до 100 мкм образовался слой с градиентной структурой (рис. 1). Непосредственно у поверхности структура не выявляется обычным травлением. Под нею располагается зона с чрезвычайно дисперсным строением. Постепенно она трансформируется в исходную структуру цементированного слоя. Данные рентгеноструктурного анализа показали (рис. 2, а), что нетравящийся слой имеет сложный фазовый состав и состоит из феррита, аустенита, цементита и, возможно, небольшого количества мартенсита (тетрагональная а'-фаза). Мартенсит мог образоваться в результате плавления и быстрого охлаждения тонкого поверхностного слоя. Параметры решетки указанных фаз приведены в таблице 1. В работе [5] приведены аналитические зависимости параметров решетки мартенсита и аустенита в зависимости от концентрации углерода. Согласно этим зависимостям параметры решетки, представленные в таблице 1, соответствуют аустениту с содержанием углерода 1.63 % и мартенситу с 1.54 % углерода.
Что касается аустенитной фазы, то возможность образования ее при сверхбыстром нагреве и охлаждении бездиффузионным путем описана в работе [2]. При обсуждении этой проблемы рассматриваются два аспекта механизма данного превращения: концентрационные изменения и кристаллографическая связь продуктов превращения, т.е. перлита и аустенита. С учетом этих особенностей образование и рост аустенита при сверх-
Рис. 1. Поперечное сечение образца цементированной стали после электронно-лучевой импульсной обработки
Рис. 2. Рентгенограммы образцов цементированной стали 15Н3МА: после электронно-лучевой обработки (а); после ультразвуковой и электронно-лучевой обработок (б)
быстром нагреве перлитной структуры может происходить кристаллографически упорядоченным путем. Аустенит зарождается на межфазной полукогерентной границе между цементитом и ферритом и растет в виде пластин с соблюдением ориентационных соотношений с этими двумя фазами. Полученные нами результаты позволяют согласиться с этими рассуждениями, сложность же выявления такой структуры обычным травлением вполне объяснима: присутствующие здесь фазы — феррит, аустенит и цементит, как известно, при травлении имеют белый цвет.
На рис. 3 приведены кривые изменения твердости цементированного слоя стали 15Н3МА до и после импульсного облучения электронами (число импульсов N= 5, длительность каждого импульса 30 мкс). Высокая твердость на поверхности облученного образца подтверждает наличие тонкого слоя мартенсита — до 10 мкм. Далее происходит резкое снижение твердости до значений, характерных для твердости перлита. Сле-
дует отметить, что применение режима облучения электронами с другими параметрами (длительность импульса 50 мкс и число импульсов N = 30) изменяет и вид кривой твердости в зависимости от глубины. Значения твердости в данном случае приближаются к твердости обычного цементированного слоя (рис. 4, кривая 1). Можно предположить, что увеличение длительности и интенсивности облучения способствует обратному превращению (распаду) мартенситной фазы на феррито-цементитную композицию.
Дальнейшие исследования проводили на цементированных образцах стали 15Н3МА, поверхности которых перед электронно-лучевой обработкой были подвергнуты ультразвуковому ударному воздействию. Ранее было показано [6], что интенсивная пластическая деформация под действием ультразвуковых колебаний вызывает распад цементита, оттеснение углерода вглубь и образование однородной мелкозернистой структуры в слое, толщиной до 30 мкм. По данным рентгеноструктурного анализа она представляет собой феррит. Выполненные в настоящей работе исследования поверхностного слоя с применением сканирующей электронной микроскопии показали, что внутри ферритных зерен содержатся ультрадисперсные карбиды неправильной формы.
После электронно-лучевого воздействия карбиды приобрели округлую форму в результате частичного растворения в матрице. На рентгенограмме данного образца других фаз, кроме феррита, не обнаружено (рис. 2, б). Эти данные говорят о том, что из-за малого содержания углерода образовавшийся аустенит не сохраняется даже при таком сверхбыстром охлаждении. Кроме различий в фазовом составе поверхностного слоя обращают на себя внимание и некоторые особенности в полученной нами кривой изменения твердости в зави-
Рис. 3. Микротвердость цементированного слоя до (1) и после (2) облучения электронным импульсным пучком
Рис. 4. Микротвердость цементированного образца после импульсной электронно-лучевой обработки (30 импульсов, длительность одного импульса 50 мкс): без предварительной обработки ультразвуком (1); предварительно обработан ультразвуком (2)
симости от глубины (рис. 4, кривая 2). Так, например, на участке кривой 0-0.05 мм наблюдали более высокое значение микротвердости, по сравнению с микротвердостью образца, облученного электронным пучком с теми же параметрами, но который не подвергался ультразвуковому воздействию. Повышенное значение твердости на небольшой глубине, на наш взгляд, можно объяснить частичным растворением ультрадисперсных карбидов в этом слое и образованием вблизи карбидов мартенсита, который из-за малого его количества не проявляется на рентгенограмме.
Выводы
1. При воздействии низкоэнергетическим сильноточным импульсным электронным пучком ^ = 5, длительность импульса 30 мкс) на цементированный слой стали 15Н3МА на глубине до 100 мкм формируется градиентная структура сложного фазового состава с высокой (560 НУ) твердостью в слое до 10 мкм. При увеличении длительности импульсов и их количества реализуется процесс, аналогичный высокотемпературному отжигу.
2. Ультразвуковое ударное воздействие на цементированный слой приводит к измельчению карбидов и перераспределению углерода в поверхностном слое порядка 30-40 мкм. При воздействии электронным пучком на такой деформированный слой формируется однофазная структура феррита с чрезвычайно дисперсными
карбидами округлой формы. На глубине до 50 мкм от поверхности твердость слоя имеет повышенные значения вследствие частичного растворения ультрадисперс-ных карбидов.
Работа выполнена в рамках интеграционного проекта СО РАН № 7 «Создание неравновесных структурно-фазовых состояний в поверхностных слоях материалов на основе разработки новых вакуумных электронно-ионно-плазменных технологий и оборудования для получения покрытий с высокими функциональными свойствами».
Литература
1. Садовский В.Д., Счастливцев В.М., Табатчикова Т.И., Яковлева ИЛ. Лазерный нагрев и структура стали: Атлас микроструктур. - Свердловск: УрО АН СССР, 1989. - 102 с.
2. Яковлева И.А., Счастливцев В.М., Табатчикова Т.И. Экспериментальное наблюдение бездиффузионного образования аустенита в стали с перлитной структурой при лазерном нагреве // ФММ. -1993. - Т. 76. - Вып. 2. - С. 86-97.
3. Козырь И.Г., Бородин Р.В., Воропаев А.В., Потапов В.Г. Структура
и свойства инструментальной стали после обработки электронным пучком и термического отпуска // Физика и химия обработки материалов. - 1998. - № 3. - С. 30-33.
4. Иванов Ю.Ф. Структурные и фазовые превращения в ряде сталей
при статическом и динамическом режимах термической обработки. Дис. ... докт. физ.-мат. наук, Томск: ИФПМ СО РАН, 2002.
5. КурдюмовГ.В., УтевскийЛ.М., ЭнтинР.И. Превращения в железе
и стали. - М.: Наука, 1977. - 236 с.
6. Сизова О.В., Колубаев Е.А. Влияние ультразвуковой обработки на структуру и свойства перлита // Изв. вузов. Физика. - 2003. -№ 2. - С. 27-30.
