CC BY
156
УДК 539.534.9. 539.538
СТРУКТУРА И ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ СТАЛИ 38ХН3МФА, МОДИФИЦИРОВАННОЙ ПУЧКАМИ
ИОНОВ (Cr+B)+
А.Р. Сунгатулин, В.П. Сергеев*, М.В. Федорищева, О.В. Сергеев, Н.А. Попова**
Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, г. Томск *Томский политехнический университет **Томский государственный архитектурно-строительный университет E-mail: [email protected]
Исследовано изменение структурно-фазового состояния и распределения элементов в поверхностном слое стали 38ХНЗМФА при имплантации пучками ионов (Cr+В), а также изменение износостойкости и твердости при работе в паре трения «сталь 38ХН3МФА - полиамид ПА-66». Обнаружено улучшение трибомеханических свойств стали при модификации поверхностного слоя композиционным ионным пучком, которое связывается с изменением структурно-фазового состояния этого слоя.
Ключевые слова:
Ионная имплантация, пара трения, износостойкость, нанотвердость, структурно-фазовое состояние.
Key words:
Ionic implantation, pair friction, wear resistance, nanohardness, phase composition.
Введение
Повышение износостойкости является актуальной задачей для ряда принципиально важных схем контактного взаимодействия металлополимерных пар трения, в частности, для широко применяемых в химической и газовой промышленности механических уплотнений, регулирующих значительные перепады давлений водородосодержащих газов [1]. Исследования поведения поверхностных слоев материалов при нагружении, выполненные в последние годы, показывают, что получение неравновесных состояний тонких поверхностных слоев позволяет улучшать триботехнические и механические свойства материалов.
Эффективным путем является создание в поверхностном слое наноструктуры, имеющей значительную объемную долю дефектной фазы. В результате создается поверхностный наноструктури-рованный слой, который способен затруднять генерацию дислокаций и образование микротрещин в поверхностном слое и их проникновение в объем материала, что задерживает деградацию поверхностного слоя и предотвращает преждевременный износ и разрушение материала. Одним из методов создания неравновесных наноструктур в поверхностном слое металлов и сплавов является обработка ионными пучками высокой энергии [1].
В работе [2] отмечается, что ионная имплантация в поверхностный слой мартенситных сталей ШХ-15 и 38ХН3МФА нескольких элементов одновременно, таких как (И+В) и (А1+В), при прочих равных условиях обработки является более эффективной, чем имплантация одного элемента.
Целью настоящей работы является изучение влияния имплантации пучками ионов (Сг+В) на износостойкость стали 38ХН3МФА при изнашивании в паре трения «сталь - полиамид ПА-66», а также влияния ионной имплантации на структурно-фазовые превращения при поверхностной обработке композиционным пучком ионов (Сг+В).
Методика эксперимента
Облучение композиционными пучками (Сг+В) ионов проводилась с помощью вакуумно-дугового импульсного ионного источника «ДИАНА-2» при ускоряющем напряжении 80 кВ, амплитуде тока ионного пучка - 580 мА, частоте импульсов -50 Гц, длительности импульса 250 мкс. Остаточное давление в вакуумной камере было 3-10-3 Па. Двухкомпонентные пучки ионов (Сг+В) получали путем применения композиционных катодов, содержащих по данным рентгенофазового анализа 60 об. % Сг и 40 об. % В, изготовленных методом порошковой металлургии. Методом рентгеноструктурного анализа установлено, что материал катода представляет собой двухфазную смесь СгВ с орторомбической кристаллической решеткой (пространственная группа Стст) и Сг5В3 с тетрагональной кристаллической решеткой 14/тст. Температура нагрева образцов в процессе имплантации не превышала 150 °С.
Методы приготовления образцов и материалы, методики исследования их поверхностного слоя, определения микротвердости и применяемая для этого аппаратура описаны нами ранее в [3]. В отличие от [3] изнашивание образцов проводили в водной среде по схеме «вал-колодка». В качестве детали типа «вал» использовался диск, изготовленный из полиамида ПА-66. Время изнашивания каждого образца составляло 8 ч. Образцы взвешивались до и после изнашивания. Износостойкость определялась как отношение времени изнашивания А/ к разности массы Ат до и после износа образца.
Концентрационные профили элементов в по-крытии-методом исследовали методом масс-спек-троскопии вторичных ионов (МСВИ) с помощью прибора М8-7201М (8ЕЬМ1). Для исследования твердости и модуля упругости покрытий использовали наноиндентор №по1е81 600.
Рентгеноструктурные исследования образцов до и после имплантации выполняли с помощью
дифрактометра ДРОН-7 в интервале углов 19...150° в фильтрованном С%а-излучении. Использование основных дифракционных максимумов позволило провести качественный фазовый анализ и рассчитать параметры кристаллических решеток основной фазы. Электронно-микроскопические исследования проводили на электронном микроскопе ЭМ-125 с использованием режима микродифракции и методики темнопольного изображения. По данным электронной микроскопии проводили идентификацию фаз, измеряли размер зерна композитного покрытия.
Результаты эксперимента и обсуждение
На основании полученных кривых наноинден-тирования h(P) были определены значения микротвердости H и модуля упругости Е поверхностного слоя образцов. Изучение их кинетики изнашивания позволило установить величину износостойкости. Видно (табл. 1), что облучение пучками ионов (Cr+В) образцов, изготовленных из стали 38ХН3МФА, не приводит в пределах погрешности измерений к изменению микротвердости и модуля упругости, но почти в 2 раза увеличивает износостойкость поверхностного слоя стали 38ХН3МФА. Для того чтобы выяснить причину наблюдаемого изменения трибомеханических свойств были выполнены послойный анализ элементного состава поверхностного слоя, обработанного пучком ионов, и исследование его структуры и фазового состава.
Таблица 1. Средние значения твердости Н, модуля упругости Е и износостойкости At/Am исходных и имплантированных образцов стали 38ХН3МФА в паре трения с полимером «Полиамид - ПА-66» при изнашивании в дистиллированной воде
Образцы Н, ГПа Е, ГПа At/Am, 108с/г
Исходные 7,63+0,65 220+20 1,0+0,1
Обработанные пучком ионов (Cr+B) 8,48+0,5 200+20 1,9+0,2
На рис. 1 приведены кривые изменения атомной концентрации С(Н) ионов хрома и бора с ростом глубины Н ионно-имплантированного поверхностного слоя образцов стали, полученные с помощью метода масс-спектрометрии вторичных ионов. Видно, что с ростом глубины концентрация имплантированных ионов повышается от некоторой начальной величины С0 до максимального значения Стах, а затем плавно понижается до нуля.
Сравнение полученных кривых С(Н) показывает, что в пределах экспериментальной погрешности среднее значение глубины внедрения ионов бора, так же как и ионов хрома, равно <НВ>=<НСг>=40±4 нм. Определенное на основе полученных концентрационных профилей среднее значение глубины внедрения ионов бора значительно ниже расчетной величины проективной длины их пробега Лр=93 нм в железе [4] при уско-
ряющем напряжении 80 кВ и величине зарядности этих ионов, равной +1е. Отклонение экспериментальных значений от расчетных может быть связано с отсутствием в пучке отдельных положительно заряженных ионов бора в связи с недостаточно высокой энергией дуги, испаряющей и ионизирующей материал катода в ионном источнике. По-видимому, в данном случае ионный пучок состоит из ионов металла и однозарядных положительно заряженных комплексов СгВ+, которые, будучи ускоренными электрическим полем до энергии 80 кэВ, распадаются при соударении с поверхностью образца на ионы Сг+ и В+, обладающие меньшими энергиями. В этом случае средняя энергия ионов бора должна быть меньше 80 кэВ и, следовательно, средняя длина их пробега менее 93 нм [4], что и зафиксировано в эксперименте. Среднее значение глубины внедрения ионов хрома больше расчетной величины их среднего проективного пробега - 24 нм [4], что может быть обусловлено повышением их зарядности выше +1е [5].
Рис. 1. Кривые изменения атомной концентрации С(Ь) ионов хрома и бора с ростом глубины Ь имплантированного поверхностного слоя образцов стали 38ХН3МФА, полученные с помощью метода масс-спектрометрии вторичных ионов
Методом рентгеноструктурного анализа исследована сталь 38ХН3МФА в исходном состоянии и после имплантации в нее ионов Сг и В. Установлено, что в исходном состоянии сталь имеет параметр решетки, характерный для сталей этого класса, а=2,8666 А. Имплантация упомянутых выше ионов приводит к изменению параметра решетки основной фазы. Различие в параметре решетки исходной стали и имплантированной ионами Сг и В незначительно: 2,8666 и 2,8683 А соответственно. Это связано с тем, что а^е с хромом образует непрерывную область твердых растворов. Имея близкие атомные радиусы (1,27 А у а-железа и 1,25 А у хрома), хром практически полностью растворяет-
Рис. 2. Электронно-микроскопическое изображение тонкой структуры стали 38ХН3МФА: в исходном состоянии (а) и схема расположения пластин (1) и реек (2) в ней (б); (3) - игольчатые выделения цементита в структуре стали
V-.
Рис. 3. Электронно-микроскопическое изображение (а) поверхностного слоя стали 38ХН3МФА, обработанного пучком ионов (Сг+Б); микродифрак-ционные картины (б, в), полученные вблизи участка А, демонстрирующие обнаруженные фазы, схема рефлексов цементита с микроэлектронограм-мы3, в (г). Стрелками на рис. 3, а показаны выделения фазы Fe3(C,B)
ся в а^е. Бор может входить решетку а^е как примесь внедрения в небольшом количестве: не более 0,001 %. В решетке хрома растворяется не более 2 % бора. Из сопоставления равновесных диаграмм состояния Fe-B и Сг-В можно сделать заключение, что бор в твердый раствор а^еСг должен входить в большем количестве, чем в а^е [6]. Таким образом, наблюдаемое увеличение параметра решетки в облученном поверхностном слое стали 38ХН3МФА связано, по-видимому, с внедрением ионов бора в кристаллическую решетку.
На рис. 2 приведено электронно-микроскопическое изображение тонкой структуры стали 38ХН3МФА в исходном состоянии.
Видно, что сталь представляет собой пакетнопластинчатый мартенсит с выделениями цементита Fe3C игольчатой формы внутри мартенситных кристаллов. Карбиды Fe3C изоморфны боридам Fe3B [7], т. е. обе фазы обладают орторомбической решеткой, имеют одинаковую симметрию (Рпта) и практически одинаковые параметры кристаллической решетки. Поэтому при легировании бором легко образуются тройные фазы соответствующей симметрии, а именно, Fe3(C,B) [8]. После ионной
имплантации характерные для исходного состояния выделения цементита (рис. 2, б), видоизменяются, а именно происходит утонение, дробление и уменьшение объемной доли цементитных пластин. До ионной обработки размеры цементитных пластин составляли <5x1=10x150 нм и имели объемную долю 5=0,9%, после обработки 5x1=5x90 нм и объемную долю 0,1 %. При этом частицы карбидов обрастают дислокациями, плотность которых резко увеличивается: до имплантации скалярная плотность дислокаций в окрестности частиц составляла 1,5'109см-2, после имплантации - 7,0-1010см-2. Кроме того, после имплантации происходит изменение контраста на межфазных границах а-фа-за-цементит и уменьшение интенсивности рефлексов цементита на электронограммах (на электроно-граммах, полученных от таких участков, рефлексов карбидных фаз практически не обнаруживается) (рис. 3, г). Распад некоторой части кристаллов цементита приводит к тому, что образуются: а) сегрегации атомов углерода на субграницах и в ядрах дислокаций; б) атмосферы вокруг дислокаций [9].
Электронно-микроскопические исследования также показали, что на поверхности стали
38ХН3МФА после ионной имплантации образуется сложная фрагментированная структура, включающая участки, состоящие из двух-, трех- и четырехфазных смесей. Встречаются они примерно в равных объемных долях. Наиболее простая смесь двухфазная: а^е+СгВ (табл. 2). Как правило, СгВ - мелкие частицы размером меньше 10 нм (в небольшом количестве), которые располагаются на дислокациях внутри фрагментов а-фазы. Следующая смесь, трехфазная, наряду с а-фазой содержит крупные выделения СгВ2 и близкие к аморфным выделения Сг5В3 (табл. 2).
Таблица 2. Фазовый состав поверхностного слоя стали 38ХН3МФА, обработанного пучком ионов (Сг+В), и характеристики входящих фаз
Фазовый состав Фаза Тип структуры Размер фаз, нм
a-Fe a-Fe Im3m 100 (фрагменты)
a-Fe+Cr5B3+CrB2 &5В3 I4/mcm Близко к аморфной
a-Fe+Cr5B3+CrB2+CrB CrB Cmcm 10
a-Fe+CrB2+CrB CrB2 P6/mmm 30x100
Fe3(B,C) Fe3(B,C) Pnma 5x90
Эта последняя фаза рассеяна в ряде крупных и мелких образований. Четырехфазные образования содержат все перечисленные ранее фазы (табл. 2). В связи с этим контраст на электронограммах достаточно сложный. Микродифракционная картина, полученная с таких участков структуры, представляет собой, как правило, кольцевые рефлексы (рис. 3, б, в). Внутри первого кольца видны затемненные кольца, так называемое гало, имеющие радиусы, соответствующие фазе Сг5В3 с тетрагональной кристаллической решеткой (/4/тст) с параметрами: a=0,537 нм; с=1,0184 нм.
На изображениях поверхности, полученных методом электронной микроскопии, видны мелкие частицы округлой формы размером около 10 нм, которые представляют собой фазу СгВ с тетрагональной кристаллической решеткой Стст с параметрами кристаллической решетки а=0,2946 нм, с=1,568 нм. Частицы фазы СгВ2, обладающей гек-
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Байбарацкая М.Ю., Блесман А.И.. Калистратова Н.П., Овчар З.Н. Исследование модифицированных структур стальных деталей металлополимерных трибосистем // Трение и износ. -1998. - Т. 19. - №4. - С. 510-516.
2. Сергеев В.П., Сунгатулин А.Р., Сергеев О.В., Пушкарева Г.В. Нанотвердость и износостойкость высокопрочных сталей 38ХНЗМФА и ШХ15, имплантированных ионами (А1+В), (И+В), И // Известия Томского политехнического университета. - 2006. - Т. 309. - № 1. - С. 120-125.
3. Сергеев В.П., Федорищева М.В. Сунгатулин А.Р., Козлов Э.В., Коротаев А.Д. Изменение износостойкости стали 38ХНЗМФА при магнетронном напылении нанокомпозитных покрытий на основе Бе-Сг-М-М // Физическая мезомеханика. - 2005. -Т. 8. - Спец. выпуск. - С. 117-120.
4. Таблицы параметров пространственного распределения ионно-имплантированных примесей / под ред. А.Ф. Буренкова,
сагональной плотноупакованной кристаллической решеткой, имеют более крупный размер. Зерна этой фазы имеют вытянутую форму с размерами 30x100 нм и представлены точечными рефлексами на микродифракционной картине.
Средняя скалярная плотность дислокаций в стали в исходном состоянии составляет 5-1010см-2. Дислокации распределены равномерно по всему материалу. В имплантированной стали дислокации распределены неравномерно: встречаются места с большой скалярной плотностью дислокаций и места, совершенно свободные от дислокаций, средняя скалярная плотность дислокаций в материале составляет 1,5-1010см-2. Вероятно, что входе ионной имплантации происходит дислокационный возврат.
Выводы
Установлено, что при обработке стали 38ХН3МФА пучком ионов (Сг+В) происходит:
1) повышение износостойкости поверхностного слоя имплантированных образцов стали 38ХНЗМФА, в то время как микротвердость и модуль упругости в пределах экспериментальной погрешности остаются неизменными;
2) фрагментация поверхностного слоя стали;
3) поверхностный слой стали 38ХНЗМФА обогащается атомами внедренных элементов до разной степени и на различную глубину, что определяет не только градиент химического состава, но и изменение структурно-фазового состояния по глубине слоя. Увеличивается параметр кристаллической решетки имплантированной стали;
4) легирование цементита бором и Fe3C превращается Fe3(C,B), одновременно имеет место утонение, дробление и уменьшение объемной доли пластин борированного цементита;
5) интенсивное выделение новых мелкодисперсных упрочняющих фаз и растворение исходных. В поверхностном слое стали 38ХН3МФА формируются участки, содержащие разное соотношение фаз: а^е, Сг5В3, СгВ2, СгВ.
Ф.Ф. Комарова, М.А. Кумахова, М.М. Темкина. - Минск: Изд-во БГУ, 1980. - 352 с.
5. Brown. I.G., Feinberg B., Galvin J.E. Multiply stripped ion generation in the metal vapor vacuum arc. // J. Appl. Phys. - 1988. - V. 63.
- № 10. - P. 4889-4898.
6. Диаграммы состояния двойных металлических систем: Справочник в 3 т.: Т 1 / под ред. Н.П. Лякишева. - М.: Машиностроение, 1996. - 996 с.
7. Самсонов Г.В., Винницкий И.М. Тугоплавкие соединения (справочник). - М.: Металлургия, 1976. - 500 с.
8. Гурьев А.М., Лыгденов Б.В., Попова Н.А., Козлов Э.В. Физические основы химико-термоциклической обработки сталей.
- Барнаул: Изд-во Алт. ГТУ, 2008. - 250 с.
9. Демиденко В.С., Наумов И.И., Козлов Э.В. и др. Структурная неустойчивость в металлах и сплавах // Известия вузов. Сер. Физика. - 1998. - Т. 41. - № 8. - С. 16-25.
