ОСОБЕННОСТИ ВЛИЯНИЯ ЭЛЕКТРОННО-ПУЧКОВОЙ ОБРАБОТКИ НА ПОВЕРХНОСТЬ СТАЛИ 45 ПОСЛЕ ЭЛЕКТРОВЗРЫВНОГО БОРОМЕДНЕНИЯ Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

УДК 621.793.18

ОСОБЕННОСТИ ВЛИЯНИЯ ЭЛЕКТРОННО-ПУЧКОВОЙ ОБРАБОТКИ

НА ПОВЕРХНОСТЬ СТАЛИ 45 ПОСЛЕ ЭЛЕКТРОВЗРЫВНОГО БОРОМЕДНЕНИЯ*

Е. С. ВАЩУК, аспирантка, Е. А. БУДОВСКИХ, доктор техн. наук, доцент, В. Е. ГРОМОВ, доктор физ.-мат. наук, профессор (СибГИУ, г Новокузнецк),

Ю. Ф. ИВАНОВ, доктор физ.-мат. наук, вед. науч. сотр.

(ИСЭ СО РАН, г. Томск),

А.М. ТЕПЛЫХ, аспирант,

Е. А. ДРОБЯЗ, кандидат техн. наук

(НГТУ, г Новосибирск)

Статья поступила 30 августа 2011 года

Ващук Е.С. - 654007, г. Новокузнецк, ул. Кирова, 42, Сибирский государственный индустриальный университет, е-шай: vaschuk@bk.ru, budovskih_ea@physics.sibsiu.ru

Методами лазерной интерферометрии, сканирующей электронной микроскопии, рентгеноспектрального и рент-геноструктурного анализа изучены особенности рельефа поверхности, элементный и фазовый состав зоны электровзрывного боромеднения и последующей электронно-пучковой обработки стали 45. Показано, что обработка приводит к уменьшению шероховатости поверхности, залечиванию микротрещин, изменению параметров дендритной кристаллизации и стабилизации фазового состава зоны легирования.

Ключевые слова: электровзрывное легирование, боромеднение, электронно-пучковая обработка, рельеф поверхности, дендритная кристаллизация, микротрещины, фазовый состав.

Введение

В последние годы получили развитие методы упрочнения поверхности металлов и сплавов с использованием концентрированных потоков энергии, в том числе электронно-лучевые и плазменные [1-4]. В отличие от традиционных способов химико-термической обработки [5] они характеризуются кратковременным и локальным высокоэнергетическим воздействием на поверхность, которое позволяет повышать ее функциональные свойства, такие как износо-, жаро- и коррозионную стойкость, в несколько раз. Основным их достоинством является возможность осуществления поверхностного легирования, при котором резко сокращается расход легирующих элементов, а эффект повышения свойств поверхности оказывается значительным.

Упрочнение поверхности с использованием концентрированных потоков энергии может проводиться при сочетании нескольких методов обработки, например, электровзрывного легирования (ЭВЛ) и последующей электронно-пучковой обработки (ЭПО) [6, 7].

В работе [8] изучены особенности структурно-фазовых состояний и свойств поверхностных слоев стали 45 после электровзрывного боромеднения. Показано, что обработка приводит к формированию рельефа, обусловленного конденсацией на поверхности облучения частиц продуктов взрыва медной фольги и порошка бора. Микротвердость поверхности увеличивается по сравнению с основой в 5-7 раз. При этом глубина упрочнения достигает 30 мкм. Повышение микротвердости происходит вследствие формирования градиентной мелкодисперсной структуры, включающей бориды БеБ, Бе2Б, Бе23(С, В)6, В4С и С^ В работе [9] показано, что последующая ЭПО приводит к понижению микротвердости на поверхности легирования до четырех раз по сравнению с микротвердостью поверхности после электровзрывного боро-меднения, но увеличивает глубину упрочнения до 200 мкм. Целью данной работы явилось изучение рельефа, элементного и фазового состава поверхностных слоев стали 45 после электровзрывного боромеднения и последующей электронно-пучковой обработки.

* Работа выполнена в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг. (Гос. контракты №№ 14.740.11.0693, 14.740.12.0858).

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

МАТЕРИАЛОВЕ,

Материалы и методы исследования

Обработке подвергали образцы стали 45 в отожженном состоянии цилиндрической формы, диаметром 20 и высотой 5 мм. Технологические особенности ЭВЛ рассмотрены в работе [10]. Плазменная струя продуктов взрыва служит как для нагрева поверхности, так и для легирования образующегося расплава. Особенностями струи, которые определяют результаты обработки, являются ее многофазный состав, включающий конденсированные частицы продуктов взрыва фольги и порошковой навески, вводимой в область взрыва, а также неоднородное строение, обусловленное тем, что конденсированные частицы отстают от плазменного компонента и располагаются преимущественно в тылу струи. ЭВЛ позволяет сконцентрировать за короткий промежуток времени (100 мкс) высокую плотность мощности (~ 1 ГВт/м2) в тонких (~ 10 мкм) поверхностных слоях материалов и дает возможность провести и оплавление, и легирование без выплеска расплава, развивающегося вследствие неоднородного давления (~ 10 МПа) плазменной струи на облучаемую поверхность. ЭВЛ и ЭПО хорошо сочетаются друг с другом. Они имеют сопоставимые значения поглощаемой плотности мощности и времени импульса, диаметра и глубины зоны воздействия. Вместе с тем ЭПО не оказывает такого большого давления на поверхность, как импульсная плазменная струя продуктов, сформированная из продуктов электрического взрыва проводника.

ЭВЛ проводили в режиме, который обеспечивает поглощаемую плотность мощности, равную 8,6 ГВт/м . Взрываемая медная фольга имела толщину 20 мкм и массу 35 мг. В области взрыва размещали порошок аморфного бора массой 20 мг. При этом отношение атомных концентраций бора и меди в струе составляло 3,5.

Последующую ЭПО поверхности легирования осуществляли на установке «Соло» Института сильноточной электроники СО РАН при следующих основных параметрах облучения: поглощаемая плотность мощности пучка электронов qe = 2,0, 2,5 и 3,0 ГВт/м2, длительность импульсов т = 100 мкс; частота их следования f = 0,3 Гц; число импульсов N = 10. Обработку осуществляли в среде аргона при давлении 0,02 Па.

Рельеф поверхности образцов после ЭВЛ изучали с помощью оптического интерферометра Zygo NewViewTM 7300 и сканирующего электронного микроскопа Carl Zeiss EV050. Рентгеноспектральный анализ зоны обработки определяли, используя энергодисперсионный рентгеновский микроанализатор EDS X-Act, являющийся приставкой сканирующего электронного микроскопа Carl Zeiss EV050. Рентге-ноструктурный анализ выполняли на дифрактометре ARL X'TRA в медном K -излучении.

Результаты и обсуждение

Рентгеноспектральный микроанализ поверхности после комбинированной обработки показал (рис. 1), что она содержит следующие элементы: Бе, Си, Мп, С, Сг и 81. В таблице представлено относительное содержание этих элементов в анализируемом объеме. Видно, что содержание меди на поверхности превышает 6 %, что соответствует результатам анализа, приведенным в работе [6].

Рис. 1. Рентгеновский спектр поверхности стали 45, подвергнутой электровзрывному боромеднению и последующей электронно-пучковой обработке при де = 2,0 ГВт/м2, т = 100 мкс и N = 10 имп.

Относительное содержание Fe, Cu, Mn, C, Cr, Si в анализируемом объеме

Элемент Весовой % Атомный %

C K 0.40 1.7

Si K 0.45 0.82

Cr K 0.29 0.28

Mn K 0.53 0.45

Fe K 92.07 91.71

Cu K 6.26 5.04

Итого 100.00 100

Сканирующая электронная микроскопия показала, что ЭВЛ сопровождается формированием на поверхности структуры, характеризующейся наличием пор, микротрещин, закристаллизовавшихся капель взрываемой фольги и их конгломератов с частицами бора, напыляемых на поверхность из тыла струи (рис. 2, а). При всех выбранных режимах ЭПО сопровождается повсеместным плавлением поверхности и объединением покрытия с нижележащей зоной легирования (рис. 2, б).

Релаксация термических напряжений, возникающих в поверхностном слое в результате импульсного характера обработки, приводит к формированию на поверхности системы микротрещин, которые разбивают ее на фрагменты с размерами от 30 до 60 мкм (рис. 2, б). Можно предположить, что трещины развиваются либо по границам ячеек кристаллизации, либо вдоль границ зерен. В некоторых местах поверхности наблюдается залечивание микротрещин, образовавшихся после предыдущего импульса обработки (рис. 2, в, г).

Исследованияшероховатостиповерхностипоказа-ли (рис. 3), что после ЭПО поверхность электровзрывного боромеднения значительно выглаживается.

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ^Vl

Рис. 2. Рельеф поверхности стали 45 после электровзрывного боромеднения (а) и последующей ЭПО при д ГВт/м2:

б - 3,0, в - 2,0; г - 3,0 (Прямоугольником (в) выделена область рентгеноспектрального микроанализа; стрелками (в и г) показаны залеченные микротрещины)

После ЭВЛ параметр шероховатости Яа = 5,2 мкм, а после ЭПО в центре образца он равен 2,9; 1,7 и 2,9 при де, равной 2,0, 2,5 и 3,0 ГВт/м соответственно.

Исследования при большом увеличении обнаружили (рис. 4), что высокоскоростная кристаллизация расплава после ЭПО приводит к формированию дендритной структуры зоны легирования. Дендриты имеют оси первого и второго порядка. Обращает на себя внимание то, что в близко расположенных друг от друга областях дендриты имеют различные направления роста и разные междендритные параметры. Увеличение де сопровождается ростом средних значений междендритных параметров. Они составляют 0,50; 0,66 и 1,00 мкм при значениях де, равных 2,0; 2,5 и 3,0 ГВт/м2 соответственно.

Эти значения позволяю^ оценить скорость охлаждения и по формуле и п = —, где й - дендритный па-

А

раметр, мкм, п и А - постоянные коэффициенты. Поскольку для сталей характерные значения А = 2,3-102, п = 0,45 [11], для и получаются следующие значения: (1,6, 0,9 и 0,4)-105 К/с соответственно. Они согла-

Рис. 4. Дендритная структура поверхностных слоёв стали 45, выявляемая сканирующей электронной микроскопии после электровзрывного боромедне-ния и последующей электронно-пучковой обработки при де, ГВт/м2:

а - 2,0; б - 2,5; в - 3,0

Рис. 3. Профилограммы поверхности стали 45 после электровзрывного боромеднения (a) и последующей ЭПО (б) при qe = 2,0 ГВт/м2

суются с известными данными, согласно которым параметры дендритной структуры определяются скоростью охлаждения расплава и оси второго порядка не образуются уже при скорости охлаждения, превышающей ~106 К/с [12]. Сопоставляя их, можно отметить, что, с одной стороны, при увеличении qe наблюдается уменьшение и, однако, с другой стороны, при увеличении qe увеличивается градиент температуры по глубине, и, следовательно, и должна возрастать. Это противоречие можно объяснить тем, что, как известно [13], на параметры дендритов влияет не только скорость охлаждения, но и химический состав сплава. По-видимому, в данном случае заметно отличающиеся в соседних областях значения междендритных параметров обусловлены химической неоднородностью зоны легирования, которая возникает в результате растворения при ЭПО покрытия, формирующегося на поверхности сразу после ЭВЛ (рис. 2, а).

Идентификация рентгенограмм стали 45 после комбинированной обработки в различных режимах показывает наличие на поверхности следующих фаз: a-Fe, Cu, Fe23(C, B)6, FeB. Интенсивность пика (110), соответствующего a-Fe, принимает максимальное значение при qe = 2,0 ГВт/м2 и qe = 3,0 ГВт/м2, а при qe = 2,5 ГВт/м2 она незначительно уменьшается. Полуширина пиков (110)a при разных значениях поглощаемой плотности мощности также изменяется немонотонно. Известно [14], что медь и y-Fe имеют ГЦК-решетку с близкими межплоскостными параметрами. Ранее в работах [6, 7] показано наличие в зоне ЭПО остаточного аустенита. Интенсивность пика (200), соответствующего меди и

(или) остаточному аустениту, принимает максималь-

22 ное значение при qe = 2,5 ГВт/м , а при qe = 3,0 ГВт/м

наблюдается исчезновение пика (311) этих фаз. Сопоставляя рентгенограммы поверхности стали 45 сразу после электровзрывного боромеднения [8] и после ЭПО (рис. 5, б, в, г), можно отметить, что пики, соответствующие боридам Fe2B и В4С исчезают, а интенсивность пиков, соответствующих Fe23(C, B)6, уменьшается. Таким образом, влияние ЭПО на фазовый состав сводится к растворению боридов Fe2B и В4С в слое, уменьшению содержания аустенита, перераспределению меди и увеличению содержания a-Fe.

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

МАТЕРИАЛОВЕ

Это коррелирует с данными, представленными в статье [9], согласно которым микротвердость поверхности электровзрывного боромеднения после ЭПО уменьшается, а в глубине зоны обработки растет.

Рис. 5. Фрагменты дифрактограмм стали 45 после электровзрывного боромед-нения (а) и последующей электронно-пучковой обработки при q ГВт/м2:

б - 2,0; в - 2,5, г - 3,0

Выводы

Электронно-пучковая обработка поверхности стали 45 после электровзрывного боромеднения приводит к уменьшению шероховатости поверхности, залечиванию микротрещин, изменению параметров дендритной кристаллизации и стабилизации фазового состава зоны легирования.

Список литературы

1. Шипко А.А., Поболь И.Л., Урбан И.Г. Упрочнение сталей и сплавов с использованием электронно-лучевого нагрева. - Минск: «Навука i тэхшка», 1995. - 280 с.

2. Перспективные радиационно-пучковые технологии обработки материалов: учебник / В.А. Грибков,

Ф.И. Григорьев, Б. А. Калин и др. - М.: Круглый год, 2001. - 528 с.

3. Тюрин Ю.Н., Жадкевич М.Л. Плазменные упрочняющие технологии. - Киев: Наукова думка, 2008. - 266 с.

4. Легирование конструкционной стали цирконием и титаном при воздействии компрессионной плазмы / В. В. Углов, Н.С. Тарасюк, Е.К. Стальмошенок, Н.Н. Черенда // Физика и химия обраб. материалов. - 2010. - № 3.- С. 62-67.

5. Лахтин Ю.М., Арзамасов Б.Н. Химико-термическая обработка металлов: учеб. пособие для вузов. - М.: Металлургия, 1985. - 256 с.

6. Легирование поверхности углеродистой стали медью путем электрического взрыва проводника и последующей электронно-пучковой обработки / Ю.Ф. Иванов, С.Ю. Филимонов, А. Д. Тересов и др. // Изв. Томск. поли-техн. ун-та. - 2011. - Т. 318. - № 2. - С. 101-105.

7. Структурно-фазовый анализ поверхностного слоя стали, подвергнутой электровзрывному легированию медью и последующей электронно-пучковой обработке / Ю.Ф. Иванов, С.Ю. Филимонов, Ю.А. Колубаева и др. // Изв. Томск. политехн. ун-та. - 2011. - Т. 318. - № 2. - С. 106-109.

8. Влияние интенсивности плазменного воздействия на микротвердость стали 45 при электровзрывном боро-меднении / Е.С. Ващук, Е.А. Будовских, М.М. Морозов, В .Е. Громов // Физика и химия обраб. материалов. - 2011. -№ 2. - С. 18-25.

9. Структура и микротвердость поверхности стали 45 после электровзрывного боромеднения и последующей электронно-пучковой обработки / Е.С. Ващук, Д.А. Романов, Е.А. Будовских, Ю.Ф. Иванов // Изв. вуз. Черная металлургия. - 2011. - № 6. - С. 25-29.

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

11. Лазерная техника и технология. В 7 кн. Кн. 3. Методы поверхностной лазерной обработки: учеб. пособие для вузов / А.Г. Григорьянц, А.Н. Сафонов; под ред.

A.Г. Григорьянца. - М.: Высш. шк., 1987. - 191 с.

12.Мирошниченко И. С. Закалка из жидкого состояния. -М.: Металлургия, 1982. - 168 с.

13. Концентрационная зависимость дисперсности дендритной структуры в сплавах бинарных систем / Л.В. Костылева, Е.А. Санталова, Н.И. Габельченко,

B.А. Ильинский // Металловедение и терм. обраб. металлов. - 2008. - № 7. - С. 34-38.

14. Миркин Л.И. Рентгеноструктурный контроль машиностроительных материалов. Справочник. - М.: Машиностроение, 1979. - 134 с.

The influence of electron beam treatment on a surface of steel 45 after electroexplosive borocoppering

E.S. Vaschuk, E.A. Budovskikh, V.E. Gromov, Yu.F. Ivanov, A.M. Teplykh, E.A. Drobyaz

Methods by laser interferometry, scanning electronic microscopy, X-ray microanalysis and X-ray analysis features of a surface relief, element and phase structure of a zone electroexplosive borocoppering after subsequent electron beam treatment of steel 45 are investigated. It is shown, that treatment leads to reduction of a roughness of a surface, healing of microcracks, change of parameters dendritic crystallization and stabilization of phase structure of a zone alloying.

Key words: electroexplosive alloying, borocoppering, electron beam treatment, surface relief, dendritic crystallization, microcracks, phase constitution.