CC BY
72
УДК 539.121.8.04;621.9.047.7
ВЛИЯНИЕ ОБРАБОТКИ ПУЧКАМИ ИОНОВ (Cr+B) ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ СТАЛИ 38ХН3МФА
НА ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ
А.Р. Сунгатулин, В.П. Сергеев*, М.В. Федорищева, О.В. Сергеев
Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, г. Томск *Томский политехнический 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 38ХНЗМФА - полиамид ПА-66». Обнаружено повышение трибомеханических свойств стали при модификации поверхностного слоя композиционным ионным пучком, которое связывается с изменением структурно-фазового состояния этого слоя.
Ключевые слова:
Имплантация пучками ионов (Cr+В), пара трения «сталь 38ХНЗМФА - полиамид ПА-66», микротвердость и износостойкость, фазовый состав.
Key words:
Implantation by ion beams (Cr+В), friction pair «steelЗ8ХНЗМФА - polyamide ПА-66», microhardness and wear resistance, phase composition.
1. 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 наноструктурированный 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 38ХНЗМФА нескольких элементов одновременно, таких, как (Т1+В) и (А1+В), при прочих равных условиях обработки является более эффективной, чем имплантация одного элемента. Целью настоящей работы является изучение влияния поверхностной обработки композиционным пучком ионов (Сг+В) стали 38ХНЗМФА на ее микротвердость и износостойкость при изнашивании в паре трения с полиамидом ПА-66, а также на элементный состав и структурно-фазовое состояние поверхностного слоя.
2. Методика эксперимента
Облучение композиционными пучками (Cr+В) ионов проводилась с помощью вакуумно-дугового импульсного ионного источника типа «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 ~3-10-3 Па. Двухкомпонентные пучки ионов (Cr+В) получали путем применения композиционных катодов, содержащих по данным рентгенофазового анализа 60 об. % Cr и 40 об. % B, изготовленных методом порошковой металлургии. Методом рентгеноструктурного анализа установлено, что материал катода представляет собой двухфазную смесь СгВ с орторомбиче-ской кристаллической решеткой (пространственная группа Стст) и Сг5В3 с тетрагональной кристаллической решеткой (/4/тст).Температура нагрева образцов в процессе имплантации не превышала 150 °С. Суммарное время имплантации - 18 мин.
Методы приготовления образцов и материалы, методики исследования их поверхностного слоя, определения микротвердости и применяемая для этого аппаратура описаны нами ранее в [3]. Испытание на трение и износ проводились на машине трения 2070СМТ-1. Величина износостойкости определялась как отношение времени изнашивания At к величине убыли массы образца Дт. 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 - 8 ч. Образцы взвешивались до и после изнашивания. Измерение нанотвердости поверхностного слоя проводилось с помощью нанотвердомера Nano-Hardness Tester CSM. Концентрационные профили элементов по толщине поверхностного слоя исследовались масс-спектрометром вторичных ионов МС-7201М.
Рентгеноструктурные исследования образцов до и после имплантации выполняли с помощью дифрактометра ДРОН-3 в интервале углов 19... 150° в фильтрованном СиКа-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 темного поля. По данным электронной микроскопии проводили идентификацию фаз, измеряли размер зерна композитного покрытия.
3. Результаты и обсуждение
На основании полученных кривых изменения глубины наноиндентирования 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 38ХНЗМФА, не приводит в пределах погрешности измерений к изменению микротвердости и модуля упругости, но почти в 2 раза увеличивает износостойкость поверхностного слоя стали 38ХНЗМФА. 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 38ХНЗМФА в паре трения с полимером «Полиамид - ПА-66» при изнашивании в дистиллированной воде
Тип образцов Н, ГПа Е, ГПа At/ Am, 108 с/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 Сгаах, 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 Яр=93 нм в железе [4] при
ускоряющем напряжении 80 кВ и величине заряд-ности 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 металл-метал-лоидных 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].
И, нм
Рис. 1. Кривые изменения атомной концентрации С(Ь) ионов хрома и бора с ростом глубины Ь имплантированного поверхностного слоя образцов стали 38ХНЗМФА, полученные с помощью метода масс-спектрометрии вторичных ионов
Методом рентгеноструктурного анализа исследована сталь 38ХНЗМФА 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, «=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",В
соответственно. Это связано с тем, что а^е с хромом образует непрерывную область твердых растворов. Имея близкие атомные радиусы (1,27 у а-железа и 1,25 А у хрома), хром практически полностью растворяется 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 Бе-Б и Сг-Б можно сделать заключение, что бор в твердый раствор а-БеСг должен входить в большем количестве, чем в а-Бе [6]. Таким образом, наблюдаемое увеличение параметра решетки в облученном поверхностном слое стали 38ХНЗМФА 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 пакетно-пластинчатый мартенсит с выделениями цементита Бе3С игольчатой формы внутри мартенситных кристаллов. Необходимо отметить, что после ионной имплантации выделения цементита, характерные для исходного состояния, практически исчезают. По всей видимости, бор, образуя на поверхности стали соединение Бе3Б, вместе с цементитом Бе3С преобразуются в сложный борокарбид железа с такой же как у цементита кристаллической решеткой. Исходная сталь под действием ионов фрагментируется (рис. 3, а). Размеры фрагментов составляют около 100 нм.
Электронно-микроскопические исследования показали, что на поверхности стали 38ХН3МФА после ионной имплантации образуется сложный
комбинированный агрегат, состоящий из двух-, трех- и четырехфазных смесей. Встречаются они примерно в равных объемных долях. Наиболее простая смесь двухфазная: а-Бе+СгБ (табл. 2). Как правило, СгБ - 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 СгБ2 и близкие к аморфным выделения Сг5В3 (табл. 2). Эта последняя фаза рассеяна в ряде крупных и мелких образований. Четырехфазные образования содержат все перечисленные ранее фазы (табл. 2). Б 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 (14/тст) с параметрами: а=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 пара-
а
Рис. 2. Электронно-микроскопическое изображение тонкой структуры стали 38ХН3МФА в исходном состоянии и схема расположения пластин (1) и реек (2) в ней. (3) - игольчатые выделения цементита в структуре стали
Рис. 3. Электронно-микроскопическое изображение (а) поверхностного слоя стали 38ХН3МФА, обработанного пучком ионов (Сг+В); микродифракционные картины (б, в), полученные вблизи участка А, демонстрирующие обнаруженные фазы
метрами а=0,2946 нм, с=1,568 нм. Частицы фазы СгВ2, обладающей гексагональной плотноупако-ванной кристаллической решеткой, имеют более крупный размер. Зерна этой фазы имеют вытянутую форму с размерами 30x100 нм и представлены точечными рефлексами на микродифракционной картине.
Таблица 2. Фазовый состав поверхностного слоя стали 38ХНЗМФА, обработанного пучком ионов (Сг+В), и характеристики входящих фаз
Фазовый состав участков имплантированного поверхностного слоя Фаза Тип структуры Размер образований, нм
а^е a-Fe Im3m 100 (фрагменты)
а4е+Сг5В3+СгВ2 СГ5В3 I4/mcm Близкая к аморфной
а4е+Сг5В3+СгВ2+ СгВ CrB Cmcm 10
а^е+СгВ2+СгВ CrB2 P6/mmm 30x100
Средняя скалярная плотность дислокаций в стали в исходном состоянии составляет 5-1010 см2. При этом дислокации распределены равномерно по всему материалу. В имплантированной стали дислокации распределены неравномерно: встречаются места с большой скалярной плотностью дислокаций (средняя скалярная плотность дислокаций в них составляет 1,5-1010 см2) и места, совер-
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), (П+В), Б // 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-№^ // Физическая мезомеханика - 2005. - Т. 8.
- Спец. выпуск. - С. 117-120.
шенно свободные от дислокаций. Вероятно, что в ходе имплантации произошел дислокационный возврат.
Выводы
Исследовано изменение структурно-фазового состояния и распределения элементов в поверхностном слое стали 38ХНЗМФА при имплантации пучками ионов (Cr+В). Показано, что при обработке стали пучком ионов (Cr+B) происходит фрагментация поверхностного слоя и увеличение параметра его решетки. Этот слой обогащается атомами внедренных элементов до разной степени и на различную глубину, что определяет не только градиент химического состава, но и изменение структурнофазового состояния по глубине слоя. При имплантации композиции ионов происходит интенсивное выделение новых мелкодисперсных упрочняющих фаз и растворение исходных. В поверхностном слое стали 38ХН3МФА формируются участки, содержащие разное соотношение фаз: a-Fe, Сг5В3, CrB2, CrB. Увеличивается параметр кристаллической решетки имплантированной стали. В результате такого изменения структурно-фазового состояния повышаются микротвердость и модуль упругости поверхностного слоя имплантированных образцов стали 38ХНЗМФА и износостойкость при работе в паре трения с полиамидом ПА-66.
4. Таблицы параметров пространственного распределения ионно-имплантированных примесей / Под ред. А.Ф. Буренкова, 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.
Поступила 30.03.2009г.
