ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2014, том 115, № 9, с. 928-940
СТРУКТУРА, ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ И ДИФФУЗИЯ
УДК 669.124:539.89
ФОРМИРОВАНИЕ ГРАДИЕНТНОЙ ПО СОСТАВУ НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ НА АЗОТИРОВАННОЙ
ПОВЕРХНОСТИ Fe-Ni СПЛАВОВ ИНВАРНОГО ДИАПАЗОНА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕГАПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ
© 2014 г. В. А. Шабашов*, С. В. Борисов**, А. В. Литвинов*, Н. В. Катаева*,
С. В. Афанасьев*, С. Г. Титова***
*Институт физики металлов УрО РАН, 620990 Екатеринбург, ул. С. Ковалевской, 18 **Институт химии твердого тела УрО РАН, 620990Екатеринбург, ул. Первомайская, 91 ***Институт металлургии УрО РАН, 620016Екатеринбург, ул. Амундсена, 101 e-mail: shabashov@imp.uran.ru Поступила в редакцию 23.12.2013 г.; в окончательном варианте — 02.04.2014 г.
На азотированной ионно-плазменным методом поверхности аустенитных сплавов Fe-Ni38-Cri5 и Fe—Ni36—Ti4 с использованием индуцированных мегапластической деформацией циклических фазовых превращений "растворение—выделение" нитридов сформирована нанокристаллическая Fe-Ni матрица, упрочненная дисперсными нитридами CrN и TiN. Деформация сдвигом под давлением азотированных сплавов приводит к растворению сформированных в поверхностном слое нитридов CrN и интерметаллидов Ni3Ti в матрице и механосплавлению приповерхностной азотированной и внутренней не азотированной частей образцов. Последующий отжиг вызывает формирование вторичных нитридов, распределенных на глубину, существенно превосходящую исходный азотированный слой.
Ключевые слова: азот, поверхность, аустенитные сплавы железа, механосплавление, мёссбауэров-ская спектроскопия.
БО1: 10.7868/80015323014090113
1. ВВЕДЕНИЕ
Модифицирование поверхности и создание градиентной структуры с изменяющимися в глубину материала свойствами является предметом практического материаловедения. В качестве способа модификации поверхности сталей может применяться ионно-плазменное (ИП) азотирование. В результате ИП азотирования в слое до нескольких микрон формируется смесь зерен матрицы и нитридов [1, 2]. Однако глубина азотированного слоя невелика, а размер и распределение зерен металлической матриц и нитридов неоднородны. В работах [1—3] нами предложен способ наноструктурирования азотированной поверхности матрицы с использованием мегапластической деформации в наковальнях Бриджмэна [1—2] и при фрикционном воздействии [3]. В основе этого способа наноструктурирования лежит дефор-мационно-индуцированные циклические фазовые превращения "растворение—выделение фаз". В [2] на стали Ре—Сг18—№8 в результате ИП азотирования поверхности была получена смесь зерен матрицы с нитридами СгМ субмикронного разме-
ра. В условиях последующей холодной деформации во вращающихся наковальнях Бриджмэна формируется пересыщенный азотом (до 10 ат. %) аустенит, а при последующем невысоком нагреве (~300°С) формируется наноструктура, упрочненная вторичными, более мелкими и равномерно распределенными нитридами хрома. В другой работе [3] наноструктурирование осуществлялось фрикционным воздействием в условиях сухого трения скольжения азотированной аустенитной высокомарганцевой стали Бе—Мп22—Сг18—М0.8. Деформация трением и сдвигом под давлением привела к растворению дисперсных частиц СгМ (Сг2М) и изменению состава матрицы на глубину, существенно превосходящую толщину азотированного слоя. На поверхности сформировалась наноструктура аустенита, упрочненная чрезвычайно дисперсными вторичными нитридами.
Азот, как и кислород, в условиях механосплав-ления (МС) проявляет высокую химическую активность. В работах по МС с использованием шаровых мельниц и сдвига под давлением на порошковых смесях было показано сильное влияние
Фазовый и элементный состав, а также период решетки матрицы в сплавах Ре-№32, Ре-№36, Ре-№38-Сг15, Ре-№35-Т14 после закалки, прокатки, азотирования и последующей деформации сдвигом под давлением
Формула сплава Элементный Вторые Период решетки
и обработка состав сплава, мас. %* фазы ГЦК матрицы, нм
Ре- -№32 закалка 32.5 N1, ост. Ре - 0.35864(7)
Ре- -№32 закалка, азотирование 32.5 N1, ост. Ре Ре^ 0.3641(1)
Ре- -№36 прокатка 36.5 N1, ост. Ре - 0.35958(7)
Ре- -№36 прокатка, азотирование 36.5 N1, ост. Ре Ре^ 0.36061(4)
Ре- -№38-Сг15 прокатка 37.6 N1, 15.2 Сг, ост. Ре - 0.3580(1)
Ре- -№38-Сг15 прокатка, азотирование 37.6 N1, 15.2 Сг, ост. Ре Сг^ Сг^ 0.3626(1)
Ре- -№38-Сг15 прокатка, азотирование, сдвиг 37.6 N1, 15.2 Сг, ост. Ре Сг^ Сг^ 0.3600(1)
Ре- -№35—Т14 закалка 35.1 N1, 3.7 Т1, ост. Ре №3Т1 0.35955(6)
Ре- -№35—Т14 закалка, азотирование 35.1 N1, 3.7 Т1, ост. Ре №3Т1, ™ 0.3601(1)
Ре- -№35-Т14 закалка, азотирование, сдвиг 35.1 N1, 3.7 Т1, ост. Ре ТЫ", Ре^ 0.36201(8)
* Содержание азота в матрице и объем нитридных фаз не указан.
специального легирования металлической матрицы нитрид- и оксид-образующими элементами (А1, Т1, V, Zr и др.) на кинетику растворения первичных нитридных (Ре^, С^) и оксидных (Ре203 и Ре304) фаз, а также формирование финального концентрационного и фазового состава металлической матрицы [4, 5].
В настоящей работе поставлена задача исследования процессов деформационного растворения нитридов в азотированной ИП методом поверхности ГЦ К Ре—N1 сплавов, дополнительно легированных нитридообразующими элементами (Сг и Т1). Рассмотрена возможность создания градиентной по составу упрочненной нитридами Ре-№ матрицы на глубину, существенно превосходящую исходный модифицированный азотированный слой, с использованием деформацион-но-индуцированных циклических фазовых превращений с растворением нитридов хрома и интерметаллидов №3Т1. Для сплавов с зависимыми от состава физическими свойствами, например, инваров, такая обработка позволяет регулировать коэффициент температурного расширения (КТР) по глубине образца и создавать квазибиметаллические пластины. В качестве метода мегапла-стической деформации использовали сдвиг под давлением во вращающихся наковальнях Бриджм-эна. Результаты могут представлять интерес для исследования подобных процессов в условиях фрикционного воздействия, в частности — трения сухого скольжения [3].
2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
В качестве материала исследования выбраны аустенитная нержавеющая сталь Ре-№38Сг15 и стареющий сплав Ре-№36—Т14, а также модельные бинарные сплавы Ре-№32 и Ре-№36. Фазовый и эле-
ментный состав указан в таблице. Образцами служили прокатанные (у = 95%) фольги толщиной около 15—25 мкм, на поверхность которых методом ионного азотирования нанесен азот. Часть образцов азотировали в исходном закаленном состоянии. При ионном азотировании положительные ионы азота под воздействием электростатического поля ускоряются в направлении образцов, являющихся катодом [6]. В нашем случае для азотирования был использован плазменный источник с накаленным катодом. Азотирование проводилось в азотно-водородной смеси в диапазоне давлений 0.4—1.3 ГПа. Парциальное давление водорода 8 х 10-2 Па. Сила тока разряда составляла 40—50 А при напряжении на образце 600 В. Температура образца — 400—500°С, время азотирования — 0.5 ч. Толщина фольг после азотирования с обеих сторон увеличивалась в пределах десятых долей микрона. Деформацию сдвигом под давлением осуществляли на слоистых образцах в виде "сэндвича", в котором чередуются слои нитрид-ного покрытия и нержавеющей стали. Всего исходный образец включал 12—20 азотированных фольг. Образец деформировали при комнатной температуре под давлением 8 ГПа в наковальнях Бриджмэна из спеченного карбида со скоростью ю ~ 1 об/мин и углом поворота 2я х п (п = 0.5 и 6, п — число оборотов) по методике, описанной в работах [7, 8]. Схема мегапластической деформации образца типа "сэндвич" приведена на рис. 1. После воздействия образец представлял собой сплошной диск с металлическим блеском диаметром 5—6 мм и толщиной около 60—100 мкм. Впоследствии его утоняли с обеих сторон до 20 мкм. После 0.5 поворота наковален азотированные фольги, составляющие образец, сваривались, и образец становился монолитным. Шести оборотам наковален соответствовала истинная деформация
Рис. 1. Схема мегапластической деформации образца типа "сэндвич" в эксперименте сдвига под давлением.
е = 6.2. Синтезированные сдвигом под давлением образцы отжигали в вакууме при различных температурах.
Мёссбауэровские спектры получены в геометрии на пропускание резонансного излучения с энергией 14.4 кэВ от источника 57Co(Cr). Рентге-ноструктурный анализ (РСА) выполнен в ^„-излучении Cu. Трансмиссионная электронная микроскопия проведена на микроскопе JEM-200CX.
В связи с многообразием нитридных фаз и слабым различием их мёссбауэровских параметров (изомерного сдвига IS, квадрупольного расщепления QS, внутреннего эффективного поля H, и интегральной интенсивности S) применяли пакет специальных программ [9], улучшающих разрешение спектров (восстановление функции плотности распределения мёссбауэровских параметров). Реставрировали функции плотности вероятностей распределения внутренних эффективных полей р(Н). С целью анализа процессов формирования твердых растворов в железосодержащей матрице сплавов использовали распределение р(Н) и параметр сверхтонкой магнитной структуры (H), рассчитанный как средневзвешенное эффективное магнитное поле по формуле
H max IH max
H = J Hp(H)dH J p(H)dH. (1)
H min l H min
Интегрирование производится на интервале ферромагнитного упорядочения сплава — без учета парамагнитной составляющей. Для оценки состава матрицы стареющего ГЦК-сплава Fe—Ni36—Ti4 использовали квазибинарное приближение Fe— Ni сплава [10, 11], а для нержавеющей стали Fe— Ni38—Cr15 — данные по влиянию хрома на магнитную фазовую диаграмму и эффективное магнитное поле аустенита Fe—Ni—Cr сплавов [12—14]. Мёсс-бауэровская спектроскопия дает интегральную по
всему объему информацию обо всех неэквивалентных положениях атомов железа в структуре на поверхности и внутри образца, что позволяет проводить количественный фазовый анализ в железосодержащих областях слоистых композитов.
3. РЕЗУЛЬТАТЫ
Мёссбауэровские данные по результатам азотирования и последующего отжига модельных бинарных сплавов Fe—Ni32 и Fe—Ni36 приведены на рис. 2 и 3. При анализе функций р(Н)
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.