научная статья по теме МЁССБАУЭРОВСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРИПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ СТАЛИ 20ХГНМ ПОСЛЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЛАЗМЫ Физика

Текст научной статьи на тему «МЁССБАУЭРОВСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРИПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ СТАЛИ 20ХГНМ ПОСЛЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЛАЗМЫ»

ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2015, том 79, № 8, с. 1160-1164

УДК 539.16.08:537.9

МЁССБАУЭРОВСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРИПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ СТАЛИ 20ХГНМ ПОСЛЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЛАЗМЫ

© 2015 г. В. П. Филиппов, А. В. Боков

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ", Москва E-mail: vpfilippov@mephi.ru

Исследовано влияние обработки потоками высокотемпературной импульсной плазмы на фазовый состав стали 20ХГНМ методами сканирующей электронной и мёссбауэровской спектроскопии. Выяснено, что облучение приводит к формированию на поверхности субмикрокристаллической ячеистой структуры. Обнаружено присутствие магнитной фазы и парамагнитной аустенитной фазы, образовавшейся в результате обработки плазмой.

DOI: 10.7868/S0367676515080098

ВВЕДЕНИЕ

Одним из приоритетных направлений современного материаловедения является разработка новых методов повышения эксплуатационных характеристик металлических материалов. Надежность, долговечность и эффективность деталей и узлов систем и механизмов в значительной степени определяются их поверхностными свойствами. В частности, для повышения коррозионной стойкости и улучшения трибологических характеристик изделий часто оказывается достаточным и экономически выгодным модифицирование только поверхностных слоев, поэтому в настоящее время материаловедческая инженерия все больше сталкивается с задачами целенаправленного получения необходимых структурно-фазового состояния (СФС) и свойств поверхностных слоев материала.

Для изменения структурно-фазового состояния и физико-механических свойств металлических материалов весьма эффективна обработка потоками поверхности высокотемпературной импульсной плазмы (ВТИП). Такая обработка приводит к поверхностному упрочнению (повышению микротвердости), износостойкости, коррозионной и эрозионной стойкости и других прочностных характеристик [1].

Имеющиеся сведения по изменению механических и физических свойств недостаточны для понимания физико-химических и механических процессов, происходящих при обработке плазмой. Для целенаправленного изменения структурно-фазового состояния и физико-механических свойств металлических материалов необходимы сведения об изменениях структурно-фазового и химического состояний приповерхностных слоев после обработки плазмой.

Цель данной работы — выявление изменения структурно-фазового состояния приповерхностных слоев стали 20ХГНМ после воздействия высокотемпературной плазмы. Выбор данной стали для исследований обусловливался широкой распространенностью и использованием подобных сталей и их низкой стоимостью. Для исследования фазового состояния исходных и обработанных потоками высокотемпературной импульсной плазмы образцов выбран метод мёссбауэровской спектроскопии, который позволяет выявлять тонкие фазовые и структурные изменения, происходящие при воздействии потока плазмы. Метод использован в двух режимах: конверсионной электронной мёссбауэровской спектроскопии (КЭМС) и на пропускание. Метод КЭМС позволяет исследовать поверхностные слои глубиной до 0.3 мкм.

1. ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Образцы для обработки потоками высокотемпературной плазмы изготавливались в виде дисков диаметром ~20 мм и толщиной от 3 до 5 мм. Рабочая поверхность образцов механически полировались до шероховатости Яа = 0.04 мкм класса У12.

Модифицирование образцов потоками высокотемпературной импульсной плазмы проводилось в установке типа Z-пинч — "Десна-М" [2], схема рабочей камеры которой представлена на рис. 1. Установка предназначена для получения потоков импульсной водородной, дейтериевой, гелиевой, азотной и других газовых типов плазмы. Энергосодержание потока варьируется от 10 до 50 кДж, а энергия ионной компоненты плазмы может достигать 2 кэВ. Установка позволяет про-

МЁССБАУЭРОВСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРИПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ СТАЛИ 20ХГНМ

1161

PLASMA

Со

Рис. 1. Схема рабочей камеры установки "Десна-М"

водить облучение образцов размером до 250 мм в длину, и диаметром до 50—60 мм.

Рабочая камера плазменной установки (рис. 1) имеет цилиндрическую форму и состоит из металлических электродов (1), фарфорового изолятора (2), системы для напуска рабочего газа (3), фланца (4) для крепления образцов (5), клапана (6) для напуска воздуха в камеру, фланца (7) для подсоединения вакуумной системы.

Электроды камеры через вакуумный импульсный разрядник Р (8) подключены к конденсаторной батарее С0 (9), которая состоит из 24 конденсаторов типа ИК-25-12, соединенных параллельно. Полная емкость батареи составляет 288 мкФ, а ее энергосодержание при максимальном напряжении зарядки конденсаторов U = 25 кВ равно 90 кДж.

В данной работе образцы обрабатывали потоками высокотемпературной импульсной плазмы с удельной мощностью падающего потока q = = 0.85 МВт • см-2 при длительности импульса ти = = 20 мкс [2]. Рабочая камера установки и разрядники предварительно откачивались до давления ~10-1 Па, а затем камеру заполняли плазмообра-зующим газом (азотом) до давления p = 36 Па.

Исследование микроструктуры проводилось с помощью растрового электронного микроскопа EVO 50 (Carl Zeiss). В качестве мёссбауэровского спектрометра использован спектрометр ЯГРС-6 "Персей".

9

2

1

2. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА И ОБСУЖДЕНИЕ

Результаты микроструктурных исследований показаны на рис. 2. Сталь 20ХГНМ относится к перлитному классу и имеет структуру, состоящую из феррита и перлита (рис. 2а). Типичные микрофотографии структуры исходной поверхности и модифицированной поверхности стали представлены на рис. 2б и 2в. В результате импульсной плазменной обработки происходит оплавление поверхностного слоя и формирование характерного рельефа в виде застывших волн расплава (рис. 2б).

Рис. 2. Микроструктура поверхности стали 20ХГНМ: а — исходная; б, в — после обработки потоками импульсной азотной плазмы.

Более детальные исследования микроструктуры модифицированной поверхности показали, что облучение приводит к формированию на по-

С приповерхностного слоя около 0.05 мкм

Р, отн. ед. 1.16

а Р, отн. ед. 1.08

С глубины 0.3 мкм

С приповерхностного слоя около 0.05 мкм

5 0 5

С глубины 0.3 мкм

5 0 5

Исходный

5 0 5

После обработки

и, мм ■ с

и, мм ■ с

Рис. 3. Мёссбауэровские спектры образцов стали 20ХГНМ: а — спектры КЭМС после обработки плазмой, б — спектры КЭМС после обработки плазмой и снятия слоя, в — спектры на пропускание.

в

верхности субмикрокристаллической ячеистой структуры с характерным размером ячеек 150— 200 нм (рис. 2в). Глубина модифицированного слоя при выбранном режиме обработки составляет ~15 мкм.

Результаты мёссбауэровских исследований представлены на рисунке 3, где а — спектры КЭМС после обработки плазмой, б — спектры КЭМС после обработки плазмой и снятия слоя, в — спектры на пропускание. На всех спектрах видны линии сверхтон-

МЁССБАУЭРОВСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРИПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ СТАЛИ 20ХГНМ

1163

кого магнитного расщепления, которые свидетельствуют о наличии магнитных фаз в образцах. На образце, обработанном плазмой имеются линии парамагнитной фазы, свидетельствующей о наличии аустенита и возникшей в результате воздействия плазмы. По мере удаления от поверхности интенсивность линий парамагнитной фазы уменьшается, и после снятия 20 мкм слоя спектры 3б и 3в содержат только линии сверхтонкого магнитного расщепления. Парамагнитная фаза наблюдается до глубины 0.3 мкм и с наибольшей интенсивностью в приповерхностном слое около 0.05 мкм. Анализ формы линий 1 и 6 пиков показывает, что их внутренние стороны имеют меньшую крутизну по сравнению с внешней стороной, что может быть вызвано наличием дополнительных магнитных подспектров, образованных неэквивалентными состояниями атомов железа.

С помощью программы MSTools Distri [3] проводился анализ магнитных полей в образцах. Полученные спектры распределения магнитных полей представлены на рис. 4. Данные о значениях магнитных полей, полученных из анализа спектров, представлены в табл. 1.

На рис. 4 видно, что имеются состояния с большой вероятностью, значения магнитных полей которых соответствуют полям a-Fe (330 ± 2 кЭ), т.е. атомам железа, в ближайшем окружении которых нет немагнитных атомов. Кроме интенсивных линий, соответствующих магнитным полям a-Fe, наблюдаются линии с меньшей интенсивностью, магнитные поля которых соответствуют состояниям, когда в ближайшем окружении атома железа находится один немагнитный атом (300 ± 1 кЭ) или два немагнитных атома (270 ± 1 кЭ).

Определены площади линий спектров для разных состояний. При предположении, что вероятности резонансных поглощений одинаковы, данные площади отражают долю атомов железа в этих состояниях. Полученные данные представлены в

С приповерхностного слоя около 0.05 мкм P, отн. ед. а

0.08

P, отн. ед.

0 100 200 300 400 С приповерхностного слоя около 0.05 мкм б

С глубины 0.3 мкм

■\i i i I |Лл/\-гм ■ i\

100 200 300 400

С глубины 0.3 мкм

■ 1 1 1 1 1 ■ ■ ^Nl^K ir-к J I I I I I I I I

0 100 200 300 400

0 100 200 300 400 После обработки

плазмой и снятия слоя

100 200 300 400 H, кЭ

100 200 300 400 H, кЭ

Рис. 4. Распределение магнитных полей в образцах стали 20ХГНМ: а — спектры КЭМС после обработки плазмой, б — спектры КЭМС после обработки плазмой и снятия слоя, в — спектры на пропускание.

табл. 2. Анализ таблиц и спектров показывает, что в процессе обработки образцов стали высокотемпературной плазмой происходит изменение фазового состав образца. В приповерхностных слоях образца стали образуется парамагнитная аусте-нитная фаза.

0

0

0

Таблица 1. Величины магнитных полей

H, кЭ

в ближайшем окружении атомов железа нет немагнитных атомов в ближайшем окружении атомов железа один немагнитный атом В ближайшем окружении атомов железа два немагнитных атома

КЭМС после обработки плазмой С приповерхностного слоя около 0.05 мкм 334 ± 4 309 ± 9 273 ± 3

С глубины 0.3 мкм 334 ± 4 306 ± 6 273 ± 3

КЭМС после обработки плазмой и снятия слоя С приповерхностного слоя около 0.05 мкм 333 ± 3 306 ± 6 276 ± 6

С глубины 0.3 мкм 336 ± 6 306 ± 6 275 ± 5

Пропуска

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.

Показать целиком