CC BY
8УДК 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,
(СибГИУ, г Новокузнецк),
A.М. ТЕПЛЫХ, аспирант, (НГТУ, г Новосибирск),
B. 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),
Статья поступила 19 сентября 2011 года
Ващук Е.С. - 654007, г. Новокузнецк, ул. Кирова, 42, Сибирский государственный индустриальный университет, е-mail: vaschuk@bk.ru, budovskih_ea@physics.sibsiu.ru
Методами измерения износостойкости, рентгеноструктурного анализа, световой и сканирующей электронной микроскопии изучены особенности поверхности стали 45 после комбинированной обработки, включающей электровзрывное боромеднение и последующую импульсно-периодическую электронно-пучковую обработку в различных режимах. Показано, что обработка приводит к формированию слоистой структуры поверхностных слоев зоны упрочнения и увеличению износостойкости поверхностных слоев до двух раз.
Ключевые слова: электровзрывное легирование, электронно-пучковая обработка, упрочнение поверхности, боромеднение, дендритная структура.
Необходимость повышения параметров конструкционной прочности металлов и сплавов стимулирует разработки в области новых методов упрочнения поверхности, обладающих технологическими и экономическими преимуществами по сравнению с традиционной термической и химико-термической обработкой. В качестве теплового источника они используют концентрированные потоки энергии, такие как лазерное излучение, электронные и ионные пучки, плазменные потоки и струи. К ним относится и электровзрывное легирование (ЭВЛ), суть которого состоит в изменении структурно-
фазовых состояний поверхностных слоёв металлов и сплавов с целью повышения их свойств путём оплавления и насыщения поверхности продуктами электрического взрыва проводников с последующей самозакалкой. Имеющиеся данные показывают [1], что ЭВЛ позволяет повышать такие свойства поверхности обрабатываемых материалов, как микротвердость, износо- и жаростойкость.
В ряде случаев сдерживающим фактором для практического использования ЭВЛ является формирование на поверхности высокоразвитого рельефа и незавершенность структурно-фазовых
* 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) и грантом РФФИ
превращений в зоне легирования. Возможности ЭВЛ могут быть усилены путем последующей электронно-пучковой обработки (ЭПО). Изучены особенности ЭПО поверхности стали 45 после электровзрывного алитирования [2], алитирова-ния с карбидом кремния [3], технически чистого титана ВТ 1-0 после алитирования и бороалитиро-вания [4]. В работах [5, 6] изучено влияние ЭПО на поверхность стали 45 после электровзрывного меднения. Показано, что ЭПО приводит к выглаживанию поверхности обработки и увеличению ее микротвердости. Представляет интерес провести исследования влияния ЭПО на поверхность стали 45 после электровзрывного боромеднения, приводящего к образованию в зоне легирования мелкодисперсных боридов и повышению ее микротвердости до 1250... 1300 HV [7], что и явилось целью настоящей работы.
Обработке подвергали сталь 45 в отожженном состоянии. Образцы имели форму цилиндрических шайб диаметром 20 и высотой 5 мм.
Технологические особенности ЭВЛ рассмотрены в работе [1]. ЭВЛ проводили в режиме, который обеспечивал поглощаемую плотность мощности qp = 8,6 ГВт/м , достаточную для оплавления и легирования поверхности без выплеска расплава. Взрываемая медная фольга имела толщину 20 мкм и массу 35 мг. В области взрыва размещали навеску порошка аморфного бора массой 20 мг. При этом отношение атомных концентраций бора и меди в струе составляло 3,5.
Последующую ЭПО поверхности осуществляли на установке «Соло» (Институт 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 и 200 мкс; частота их следования f= 0,3 Гц; число импульсов N = 5 и 10. Обработку осуществляли при давлении рабочего газа аргона в вакуумной камере 0,02 Па.
Структуру поверхности после ЭПО изучали с помощью светового микроскопа OLYMPUS GX-51, сканирующего электронного микроскопа Carl Zeiss EV050. Рентгеноструктурный анализ выполняли на дифрактометре ARL X'TRA в медном Ä^-излучении.
Оценку увеличения износостойкости образцов после обработки проводили с использо-
ванием простого способа экспресс-испытаний на износ истиранием в условиях сухого трения скольжения без смазки. К образцу под постоянной нагрузкой 0,8 Н прикладывали вращающийся со скоростью 2 об/с шарик из закалённой стали ШХ15 диаметром 14 мм, который вытирал на нём лунку. Испытания периодически приостанавливали и замеряли диаметр ё лунки под оптическим микроскопом МБС-9. Испытания прекращали, когда зависимости диаметра лунки от числа оборотов выходили на насыщение. Увеличение износостойкости оценивали по отношению диаметров лунок.
Сканирующая электронная микроскопия показала, что ЭВЛ приводит к формированию тонкого слоя покрытия, образованного частицами капельной фракции продуктов взрыва фольги и их взаимодействия с порошком бора, что обусловливает высокую шероховатость поверхности. Последующая ЭПО сопровождается плавлением поверхности, объединением покрытия с зоной легирования и выглаживанием рельефа. С увеличением снижается количество и размеры остатков капельной фракции. При этом на поверхности облучения наблюдается формирование сетки микротрещин с характерным размером фрагментов от 100 до 200 мкм (рис. 1 а, б). Трещины преимущественно образуются вдоль границ зерен. Средний размер фрагментов не зависит от ае, однако растет с увеличением количества импульсов ЭПО. При этом увеличивается величина раскрытия микротрещин и их глубина. Образование микротрещин, обусловленное действием термических напряжений в условиях импульсного характера ЭПО, наблюдалось и на поверхности электровзрывного меднения стали 45 в работе [3]. Одной из возможностей, предотвращающих образование микротрещин, является обработка поверхности в условиях ее предварительного нагрева [8].
ЭПО, как и в работах [2, 3], приводит к формированию на поверхности структуры дендритной и ячеистой кристаллизации (рис. 2). При = 2,0 и 2,5 ГВт/м2 и т = 100 и 200 мкс количество зерен с дендритной кристаллизацией заметно больше, чем с ячеистой, а при а =
2 е
= 3,0 ГВт/м формируется только структура дендритной кристаллизации. С ростом ае и т среднее расстояние между ячейка-
Рис. 1. Структура поверхности после электронно-пучковой обработки в различных режимах:
а - = 2,5 ГВт/м2, т = 200 мкс, N = 5 имп.; б - = 2,5 ГВт/м2, т = 200 мкс, N = 10 имп.; в - = 2,5 ГВт/м2, т = 100 мкс, N = 5 имп.; г - = 3,0 ГВт/м2, т = 100 мкс, N = 5 имп.
где Рис. 2. Структура поверхности после электронно-пучковой обработки при qe = 2,0 (а), 2,5 (б) и 3,0 (в) ГВт/м , N = 10 имп., т = 100 (а-в) и 200 мкс (г-е) (сканирующая электронная микроскопия)
ми и осями первого порядка дендритов и средний диаметр зерен Б увеличиваются в 1,5-2,0 раза (рис. 3). При qe = 2,0, 2,5 и 3,0 ГВт/м2 и т = 100 мкс значения составляют 0,51, 0,66 и 1,00 мкм, а Б - 5,8, 9,0 и 10,7 мкм соответственно. При тех же qe и т = = 200 мкс значения увеличиваются до 0,84, 1,18 и 1,50 мкм, а Б - до 10,5, 12,8 и 13,5 мкм
соответственно. С учетом ошибок измерений можно говорить о линейном характере этих зависимостей. Особенностью дендритов является то, что они имеют только слабо выраженные оси второго порядка, которые соприкасаются друг с другом.
По границам зерен наблюдается образование микротрещин, что может свидетель-
. мкм 1,5Н
1,0 0.5 Н
т - Л00 мкс
т = .1;;(.) тс
2,0 2,5 3,0 £?е.ГВт/м2
О. МКМ 141210-
т т
2,0 2,5 3,0 <7е,ГВт/м2
Рис. 3. Зависимости средних значений междендритного расстояния (а) и диаметра зерен Б (б) в поверхностном слое от поглощаемой плотности мощности
ствовать о том, что они обогащены хрупкими боридами и карбоборидами железа [7, 9]. В частности, рентгеноструктурный анализ поверхности после комбинированной обработки показал образование метастабильной фазы Бе23(С, В)6, содержание которой увеличивается с ростом поглощаемой плотности мощности и уменьшается при увеличении длительности импульсов (рис. 4). При N = 5 имп и т = = 100 мкс с увеличением а от 2,5 до 3,0 ГВт/м2
наблюдается увеличение количества пиков этой фазы, при т = 200 мкс и ае = 2,5 ГВт/м пики фазы Бе23(С, В)6 отсутствуют, а при де = = 3,0 ГВт/м2 - наблюдаются.
После ЭПО при т = 100 мкс средняя толщина зоны переплавления составляет 20 мкм (рис. 5). Изломы имеют слоистое строение, в котором можно выделить несколько слоев. Тонкий приповерхностный слой с мелкозернистой структурой имеет толщину около 3 мкм, толщина промежуточного
Рис. 4. Фрагменты дифрактограмм после электронно-пучковой обработки при ае = 2,5 (а) и 3,0 (б) ГВт/м
N = 5 имп., т = 100 мкс.
:
«2 мкм| : мкм] 110 мкм|
а б в
Рис. 5. Структура поверхности излома после электронно-пучковой обработки: а, б - ае = 2,5 ГВт/м2, т = 100 мкс, N = 10 имп.; в - де = 3,0 ГВт/м2, т = 200 мкс, N = 10 имп. (сканирующая электронная микроскопия)
Рис. 6. Структура тонкого приповерхностного слоя после электронно-пучковой обработки при qe = 2,0 ГВт/м , N = 10 имп. и т = 100 (а) и 200 (б) мкс; светлые стрелки указывают на бориды, темные - на микропоры (сканирующая электронная микроскопия)
слоя с размером зерен 0,5 составляет 1,5.. .7 мкм. Приграничный слой толщиной 10 мкм имеет ручьистое строение, которое характерно для хрупкого разрушения. Под ним располагается слой зоны термического влияния толщиной 6 мкм с вязким изломом, ямки которого меньше, чем в основе. В некоторых местах (рис. 5, б) зона упрочнения отслаивается от основы, что указывает на высокий уровень термических напряжений, действующих на границе раздела после обработки. После ЭПО при т = 200 мкс также наблюдается слоистое строение излома (рис. 5, в). Приповерхностный слой толщиной 6 мкм и промежуточный слой толщиной 10 мкм имеют мелкозернистую структуру, приграничный слой толщиной 20 мкм разрушается по механизму ручьистого излома. Зона термического влияния толщиной 5 мкм имеет вязкий
излом. Отслоения модифицированных слоев от основы не наблюдается.
Сканирующая электронная микроскопия поперечных шлифов показала, что тонкий приповерхностный слой включает в себя частицы глобулярной формы (рис. 6). Средний размер глобул составляет 200 нм при т = 100 мкс и 260 нм при т = 200 мкс. В слое также наблюдаются микропоры, происхождение которых может быть связано с выкрашиванием этих частиц. Микротвердость этого слоя составляет 1000.1200 НУ [10]. Согласно данным, представленным в монографии [11], можно считать, что глобулярные частицы являются боридами железа.
Световая микроскопия поперечных шлифов после химического травления показала (рис. 7),
б
а
Рис. 7. Структура поверхностных слоев, выявляемая световой микроскопией косых шлифов после электронно-пучковой обработки при N = 10 имп.:
а - q = 2,0 ГВт/м2, т = 100 мкс (стрелки указывают на микротрещины); б - q = 2,5 ГВт/м2, т = 200 мкс
б
а
что промежуточный слой имеет зеренную структуру. В нем наблюдаются отдельные микротрещины, располагающиеся по границам зерен. Это может свидетельствовать об ослаблении границ зерен выделениями бо-ридов, которые обнаруживаются в зоне легирования при рентгено-структурном анализе. При этом отдельные включения структурно-свободного бора, которые наблюдаются в зоне легирования сразу после ЭВЛ [10], после ЭПО отсутствуют, что свидетельствует о его растворении. В зоне термического влияния в (рис. 9). Это коррелирует с увеличением пара-местах бывших колоний перлита, где произошел метров структуры дендритной кристаллизации распад цементитных пластин, наблюдается обра- (см. рис. 2). Сопоставляя эти результаты с данны-зование пакетного и пластинчатого мартенсита. ми по микротвердости поверхности легирования Испытания на износостойкость поверхност- после ЭПО [10], можно отметить их прямую кор-ных слоев после комбинированной обработки реляцию: чем выше микротвердость, тем выше и (рис. 8) показали, что при т = 100 мкс и N= 10 имп., износостойкость.
qe = 2,0 ГВт/м , их износостойкость увеличивает- Таким образом, импульсно-периодическая
ся по сравнению с основой при q= 2,0 в 1,7 раза, электронно-пучковая обработка поверхности 2е
а при 2,5 и 3,0 ГВт/м - в 2 раза. При т = 200 мкс электровзрывного боромеднения стали 45 при-
износостойкость поверхности при q = 2,0, 2,5 и водит к выравниванию рельефа поверхности 2е
3,0 ГВт/м увеличивается в 1,7, 1,5 и 1,8 раз со- зоны легирования и формированию слоистой
ответственно, что несколько меньше, чем при структуры поверхностных слоев, обладающих
т = 100 мкс. При т = 200 мкс наблюдается также повышенной износостойкостью и микротвер-
увеличение размеров частиц продуктов разру- достью. Показано, что увеличение плотности
шения, образующихся при истирании поверх- мощности и времени воздействия электронного
ности, по сравнению с тем, когда т = 100 мкс пучка в исследованном диапазоне параметров
воздействия приводят к росту размеров струк-
Рис. 8. Зависимости диаметра лунок износа от числа оборотов шарика после электронно-пучковой обработки при т = 100 (а) и 200 (б) мкс, N = 10 имп. и qe = 2,0 (2), 2,5 (3) и 3,0 (4) ГВт/м2, 1 - поверхность без
обработки
СМ
Рис. 9. Продукты разрушения при изнашивании поверхности после электронно-пучковой обработки, упрочненной при q =
2,0 ГВт/м , N = 10 имп.: а - т = 100 мкс и б - т = 200 мкс (сканирующая электронная микроскопия)
б
а
турных составляющих слоя и уменьшению износостойкости.
Список литературы
1. 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.
2. Формирование структуры и свойств стали 45 при комплексной электровзрывной и электронно-пучковой обработке / Ю.Ф. Иванов, С.Ю. Филимонов, Ю.А. Колубаева и др. // Изв. вуз. Черная металлургия. - 2008. - № 12. - С. 43-48.
3. 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. Томского политехн. ун-та. - 2011. - Т. 318. -№ 2. - С. 101-105.
4. 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. Томского политехн. унта. - 2011. - Т. 318. - № 2. - С. 106-109.
5. Модификация структуры и свойств поверхности двухкомпонентного электровзрывного легирования стали 45 / А.В. Вострецова, Е.А. Будовских, Ю.Ф. Иванов, В.Е. Громов // Фундаментальные про-
блемы современного материаловедения. - 2010.-№ 3.- С. 110-114.
6. Структурно-фазовые состояния титана после электровзрывного легирования и последующей электронно-пучковой обработки / С.В. Карпий, М.М. Морозов, Е.А. Будовских и др. // Успехи физики металлов. - 2010. - Т. 11. - № 3. - С. 273-293.
7. Влияние интенсивности плазменного воздействия на микротвердость стали 45 при электровзрывном боромеднении / Е.С. Ващук, Е.А. Будовских, М.М. Морозов, В.Е. Громов // Физика и химия обработки материалов. - 2011. - № 2. - С. 99-100.
8. Соснин Н.А., Ермаков С.А., Тополянский П.А. Плазменные технологии. Сварка, нанесение покрытий, упрочнение. - М.: Машиностроение, 2008. -406 с.
9. Особенности влияния электронно-пучковой обработки на поверхность стали 45 после электровзрывного боромеднения / Е.С. Ващук, Е.А. Будовских, В.Е. Громов и др. // Обработка металлов. -2011.- № 3. - С. 69-72.
10. Структура и микротвердость поверхности стали 45 после электровзрывного боромедне-ния и последующей электронно-пучковой обработки / Е.С. Ващук, Д.А. Романов, Е.А. Будовских, Ю.Ф. Иванов // Изв. вуз. Черная металлургия. -2011. - № 6. - С. 24-28.
11. Крукович М.Г, Прусаков Б.А., Сизов И.Г. Пластичность борированных слоев. - М.: ФИЗМАТ-ЛИТ, 2010. - 384 с.
Influence of electron-beam treatment parameters on carbon steel surface structure after electroexplosive
borocoppering
E.S. Vaschuk, E.A. Budovskikh, A.M. Teplykh, V.E. Gromov, Yu.F. Ivanov
Methods of measurement of wear resistance, X-ray structure analysis, light and scanning electronic microscopy investigate features of a surface of steel 45 after the combined processing including electroexplosive borocoppering and after subsequent electron beam treatment in various modes. It is shown, that treatment results in formation of layered structure of superficial layers of a zone of hardening and increase of wear resistance of superficial layers up to two times.
Key words: electroexplosive alloying, electron beam treatment, borocoppering, dendritic crystallization.
