CC BY
84
УДК 621.785
СТРУКТУРНО-ФАЗОВЫЙ АНАЛИЗ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ СТАЛИ, ПОДВЕРГНУТОЙ ЭЛЕКТРОВЗРЫВНОМУ ЛЕГИРОВАНИЮ МЕДЬЮ И ПОСЛЕДУЮЩЕЙ ЭЛЕКТРОННО-ПУЧКОВОЙ ОБРАБОТКЕ
Ю.Ф. Иванов, С.Ю. Филимонов*, Ю.А. Колубаева, А.Д. Тересов, В.Е. Громов**, E.A. Будовских**
Институт сильноточной электроники, г. Томск *Томский политехнический университет **Сибирский государственный индустриальный университет, г. Новокузнецк E-mail: yufi@mail2000.ru
Представлены результаты электронно-микроскопического микродифракционного анализа поверхностного слоя углеродистой стали, подвергнутой комплексной обработке, состоящей в электровзрывном легировании медью и последующем облучении высокоинтенсивным электронным пучком, демонстрирующие присутствие атомов меди, участвующей в формировании различных фаз в поверхностном слое толщиной -20 мкм.
Ключевые слова:
Электровзрывное легирование медью, электронно-пучковая обработка, фазовый состав, субструктура. Key words:
Electroexplosive doping, electron beam treatment, copper plating, phase composition, substructure.
Введение
Материалы на основе сочетания элементов железо-медь (сталь-медь) к настоящему времени нашли широкое применение в различных отраслях промышленности [1-5], несмотря на сложности формирования, обусловленные ограниченной взаимной растворимостью данных элементов в равновесных условиях [6]. Система Fe-Cu, характеризуется большой положительной теплотой образования АД=19 кДж/моль [1], поэтому в равновесном состоянии данный сплав представляет собой механическую смесь двух фаз (железо и медь) различной степени дисперсности. На сегодняшний день существует несколько вариантов формирования системы Fe-Cu. Прежде всего, это псевдосплавы Fe-Cu, (точнее, сталь-медь), которые изготовляют методами порошковой металлургии - пропиткой или спеканием порошков стали в присутствии жидкой меди [4, 5].
Установлено, что псевдосплавы сталь-медь, сочетающие в себе структурные составляющие с резко отличными физико-механическими характеристиками, обладают важными техническими свойствами - высокими стойкостью при воздействии интенсивных тепловых потоков и демпфирующей способностью при вибрационном нагружении, самосмазкой в условиях сухого трения, электроэрозионной стойкостью и износостойкостью при работе в качестве электроконтактов [1-5]. Это делает пригодными данные композиты для изготовления компрессорных лопаток, зубчатых колес, деталей роторов турбин, гнездовых коронок корпусов долот, резцов, фрез, седел клапанов, поршневых колец. В последние годы было показано, что метаста-бильные и однородные сплавы системы Fe-Cu могут быть сформированы на протяжении всей области составов с помощью специальных методов, таких как термическое испарение, высокоскоростная закалка из жидкой фазы, ионная имплантации,
различные способы распыления, деформация сдвигом под давлением, обработка в высокоэнергетических шаровых мельницах и т. д. [1, 4, 5, 7-10].
Целью настоящей работы, являющейся продолжением [11], являлся анализ структуры и фазового состава стали 45, подвергнутой поверхностному легированию медью, осуществленному потоком высокоинтенсивной плазмы, формирующейся при электрическом взрыве медной фольги. Дополнительная обработка импульсным электронным пучком субмиллисекундной длительности воздействия была предпринята для высокоскоростной гомогенизации сплава, созданного в поверхностном слое стального образца.
Материал и методика исследования
В качестве материала подложки использовали образцы углеродистой стали 45 (Бе - 0,45 вес. % С) в отожженном состоянии (т. е. обладающей ферри-то-перлитной структурой). Образцы имели форму цилиндров толщиной 10 мм и диаметром 25 мм. Электровзрывное легирование (СибГИУ, г. Новокузнецк) осуществляли на установке, использующей коаксиально-торцевые электроды, путем электрического взрыва медных фольг толщиной 20 мкм [12]. Электронно-пучковую обработку поверхности проводили в ИСЭ СО РАН, г. Томск, на установке «СОЛО» [13]. Исследования структурно-фазовых превращений, имеющих место в поверхностном слое стали, осуществляли методами дифракционной электронной микроскопии путем анализа тонких фольг, приготовленных из пластинок, располагающихся на различных расстояниях от поверхности обработки, а также пластинки, примыкающей к поверхности обработки. В качестве объекта исследования был выбран образец, обработанный электронным пучком по режиму 30 Дж/см2, 50 мкс, 10 имп., 0,3 Гц.
Результаты исследований и их обсуждение
В работе [11] представлены экспериментально полученные результаты, демонстрирующие возможность формирования, в результате электровзрывного легирования и последующей электронно-пучковой обработки, поверхностного слоя стали 45, обогащенного медью. Электронно-микроскопические микродифракционные исследования позволили провести анализ фазового состава и дефектной субструктуры стали в зависимости от расстояния до поверхности модифицирования. В результате выполненных исследований установлено, что на поверхности обработки формируется нано-кристаллический слой, размер кристаллитов которого изменяется в пределах 20...30 нм (рис. 1, а, б). Индицирование микроэлектронограмм, полученных с данного слоя, позволяет заключить, что он образован кристаллитами оксида меди состава СиО (рис. 1, в).
В слое толщиной ~10 мкм, прилегающем к данному поверхностному слою, структура стали сформирована ячейками (дендритами) высокоскоростной кристаллизации (рис. 2, а). Размер ячеек изменяется в пределах 300.500 нм. Ячейки кристаллизации разделены прослойками второй фазы (рис. 2, б).
Толщина прослоек изменяется в пределах 30.60 нм. В стыках границ ячеек прослойки трансформируются в образования округлой формы, размеры которых могут достигать 150.200 нм. Индицирование микроэлектронограмм (рис. 2, в), полученных с ячеистой структуры, позволило выявить фазовый состав ячеек. Было установлено, что объем ячеек сформирован а-фазой (твердый раствор на основе ОЦК железа). Прослойки, разделяющие ячейки, являются многофазными образованиями. Основными фазами, располагающимися вдоль границ ячеек, являются оксиды меди состава СиО и Си2О, медь, а также соединения Бе2СиО4 и СиБеО2. На рис. 2, б, представлена фотография, демонстрирующая присутствие на границе раздела ячеек прослоек меди, о чем свидетельствуют рефлексы данной фазы, присутствующие на микро-электронограмме, рис. 2, в.
В объеме ячеек кристаллизации наблюдается пластинчатая структура (рис. 3). Пластинки являются а-фазой и, очевидно, сформировались в результате мартенситного у^а превращения стали при высокоскоростной закалке. Толщина пластинок изменяется в пределах 50.100 нм. В объеме пластинок а-фазы присутствует сетчатая дислока-
Рис. 1. Фотографии структуры поверхностного слоя стали 45: а) светлое поле; б) темное поле, полученное в рефлексе [002] СиО; в) микроэлектронограмма, стрелкой указан рефлекс, в котором получено темное поле
Рис. 2. Фотографии структуры стали в слое, расположенном на глубине 3...5 мкм: а) светлое поле; б) темное поле, полученное в совпадающих рефлексах [110] a-Fe + [111] Cu; в) микроэлектронограмма (рефлекс, в котором получено темное поле, указан стрелкой)
Рис. 3. Фотографии структуры стали в слое, расположенном на глубине 3...5 мкм: а) светлое поле; б) темное поле, полученное в рефлексе [110] a-Fe; в) микроэлектронограмма (рефлекс, в котором получено темное поле, указан стрелкой)
ционная субструктура; скалярная плотность дислокаций ~1,2-10исмЛ Это обстоятельство подтверждает выдвинутое предположение о мартенситном механизме формирования данной структуры. Структура слоя дендритной кристаллизации стали характеризуется наличием большого количества частиц округлой формы, располагающихся хаотическим образом. Микродифракционный анализ показывает, что данные частицы являются оксидами меди СиО. Размеры частиц изменяются в пределах от 20 до 100 нм. По мере приближения к поверхности обработки объемная доля частиц оксида меди увеличивается и на поверхности образца формируется тонкая поликристаллическая окисная пленка с размером кристаллитов 20...30 нм (рис. 1).
В слое, расположенном на расстоянии ~10мкм от поверхности обработки, наряду со структурой ячеистой кристаллизации, представленной на рис. 4, а, наблюдается структура, характерная для закаленной среднеуглеродистой стали (рис. 4, б). А именно, мартенсит, остаточный аустенит и карбид железа (цементит) [14]. Мартенсит по морфологическому признаку [14, 15] относится к пакетному (реечному, дислокационному) мартенситу, для которого характерно формирование кристал-
лами (тонкими пластинками - рейками) пакетов (рис. 4, б). Вдоль границ кристаллов мартенсита обнаруживаются прослойки остаточного аустенита и/или частицы цементита «самоотпуска» (т. е. частицы цементита, сформировавшиеся в мартенсите при температурах ниже температуры мартенси-тного превращения). Одновременно с этим, данный слой, как и вышележащие слои, характеризуется большим количеством частиц второй фазы, которые являются, предположительно, оксидами меди. Таким образом, присутствие в анализируемом слое ячеек кристаллизации позволяет заключить, что, толщина расплава при данном режиме электронно-пучковой обработки стали была не менее 10 мкм.
Структура стали в слое, расположенном на глубине ~20 мкм, представлена зернами структурно-свободного феррита, мартенсита (пакетной и пластинчатой морфологии) и остаточного аустенита. В зернах феррита наблюдается полосовая субструктура, свидетельствующая о высоком уровне пластической деформации стали на данной глубине. Остаточный аустенит располагается в виде островков и прослоек между кристаллами мартенсита. Это указывает на высокую объемную долю ос-
Рис. 4. Фотографии структуры стали в слое, расположенном на глубине ~10 мкм (а, б); на (б) стрелками указаны частицы оксида меди (II)
таточного аустенита, что может быть связано как с высокой скорость охлаждения стали, так и большой концентрацией углерода в таких зернах, образовавшихся в процессе преобразования зерен перлита (растворение цементита и а^у превращение). По границам зерен, по границам и в объеме кристаллов мартенсита выявлены частицы округлой формы, размеры которых изменяются в пределах от 20 до 40 нм. Индицирование микроэлек-тронограммы, полученной с таких участков фольги, показало, что эти частицы могут быть сформированы соединением состава Fe4Cu3. Зерна перлита либо феррито-цементитная смесь на данной глубине методами дифракционной электронной микроскопии не выявлены.
На глубине ~50 мкм структура стали подобна структуре центральной части образца и представлена зернами перлита пластинчатой морфологии и зернами структурно-свободного феррита. Отличие заключается лишь в высокой степени дефектности структуры, формирующейся после комбинированной обработки поверхности стали. Релаксация термических напряжений, формирующихся в материале в результате высокоскоростного охлаждения, сопровождается образованием в зернах феррита субзеренной структуры. Размер субзерен изменяется в пределах от 300 до 450 нм. Одновре-
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Majima K., Mitani H. Sintering Mechanism in Mixed Powder Compacts of the Fe-Cu-C Ternary System // Transactions of the Japan Institute of Metals. - 1977. - V. 18. - № 10. - P. 663-672.
2. Yung-Jen Lin, Wfen-Cheng J. Wei. The Effect of B2-Like Structure on Hardening of Cu Bearing High Purity Steel // Advanced materials research (V. 51). Engineering materials III. - 2008. - June. -Р. 49-54.
3. IsheimD., GaglianoM.S., Fine M.E., Seidman D.N. Interfacial segregation at Cu-rich precipitates in a high-strength low-carbon steel studied on a sub-nanometer scale // Acta Materialia. - 2006. -V. 54. - Р. 841-849.
4. Андреева А.В. Основы физикохимии и технологии композитов. - М.: ИПРЖР, 2001. - 193 с.
5. Авраамов Ю.С., Шляпин А.Д. Сплавы на основе систем с ограниченной растворимостью в жидком состоянии (теория, технология, структура и свойства). - М.: Интерконтакт наука, 2002. - 372 с.
6. Вол А.Е. Строение и свойства двойных металлических систем. - М.: Гос. изд-во физ.-мат. лит-ры, 1962. - Т. 2. - 984 с.
7. Теплов В.А., Пилюгин В.П., Чернышов Е.Г., Гавико В.С., Клейнерман Н.М., Сериков В.В. Образование неравновесных твердых растворов Fe-Cu и Fe-Bi при сильной пластической деформации и последующем нагреве // Физика металлов и металловедение. - 1997. - Т. 84. - № 3. - С. 82-94.
8. Ueda Y., Ikeda S., Morivaki S., Matsuda M. Magnetism and Mag-netoresistive Properties in FexCu100-x Alloys Produced by Mechanical Alloying // Japan. J. Appl. Phys. - 1996. - V. 35. - № 8B. -P. L1059-L1061.
менно с этим в ферритных прослойках зерен перлита фиксируется увеличение (в ~2,3 раза), по отношению к исходному состоянию, скалярной плотности дислокаций.
Заключение
1. Выполнен анализ, методами дифракционной электронной микроскопии фольг, фазового состава и состояния дефектной субструктуры поверхностного слоя стали 45, подвергнутой электровзрывному легированию медью и последующей обработке высокоинтенсивным электронным пучком.
2. Установлено присутствие атомов меди, формирующих различные фазы, в поверхностном слое толщиной ~20 мкм.
3. Выявлено формирование многослойной структуры, состоящей из нанокристаллического слоя оксида меди (II), расположенного на поверхности обработки; подповерхностного слоя толщиной ~10 мкм с многофазной структурой ячеистой кристаллизации и слоя термического влияния, сформированного закалочными структурами. 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.
9. Bai Haiang, Liu Baiin. Irradiation Induced Amorphization and Free Energy Calculation Immiscible Fe-Cu Multilayers // Chinese Phys. Lett. - 1993. - V. 10. - № 9. - P. 531-534.
10. Yang G.W., Lai W.S., Lin C., Liu B.X. Metastable phases induced by ion irradiation in the equilibrium immiscible Fe-Cu system // J. Appl. Phys. - 2000. - V. 87. - № 10. - P. 7232-7242.
11. Иванов Ю.Ф., Филимонов С.Ю., Тересов A^., Колубае-ва ЮА., Будовских E.A., Громов В.Е. Легирование поверхности углеродистой стали медью путем электрического взрыва проводника и последующей электронно-пучковой обработки // Известия Томского политехнического университета. -2011. - Т. 318. - №2. - С. 101-105.
12. 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.
13. Devyatkov V.N., Koval N.N., Schanin P.M., Grigoryev V.P., Ko-valT3. Generation and propagation of high-current low-energy electron beams // Laser and Particle Beams. - 2003. - V. 21. -№ 2. - P. 243-248.
14. Курдюмов В.Г., Утевский Л.М., Энтин Р.И. Превращения вже-лезе и стали. - М.: Наука, 1977. - 236 с.
15. Счастливцев В.М., Мирзаев Д.А., Яковлева И.Л. Структура термически обработанной стали. - М.: Металлургия, 1994. -288 с.
Поступила 29.06.2010 г.
