научная статья по теме ОСОБЕННОСТИ ДИФФУЗИОННОГО ПЕРЕНОСА АТОМОВ ХРОМА ПРИ ИОННО-ЛУЧЕВОМ АЗОТИРОВАНИИ ГАЗОТЕРМИЧЕСКОГО ПОКРЫТИЯ ИЗ АУСТЕНИТНОЙ СТАЛИ С ВЫСОКИМ СОДЕРЖАНИЕМ ХРОМА Физика

Текст научной статьи на тему «ОСОБЕННОСТИ ДИФФУЗИОННОГО ПЕРЕНОСА АТОМОВ ХРОМА ПРИ ИОННО-ЛУЧЕВОМ АЗОТИРОВАНИИ ГАЗОТЕРМИЧЕСКОГО ПОКРЫТИЯ ИЗ АУСТЕНИТНОЙ СТАЛИ С ВЫСОКИМ СОДЕРЖАНИЕМ ХРОМА»

ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СИНХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2015, № 8, с. 61-66

УДК 621.793

ОСОБЕННОСТИ ДИФФУЗИОННОГО ПЕРЕНОСА АТОМОВ ХРОМА ПРИ ИОННО-ЛУЧЕВОМ АЗОТИРОВАНИИ ГАЗОТЕРМИЧЕСКОГО ПОКРЫТИЯ ИЗ АУСТЕНИТНОЙ СТАЛИ С ВЫСОКИМ СОДЕРЖАНИЕМ ХРОМА

© 2015 г. А. В. Белый1, М. А. Белоцерковский2, А. Н. Григорчик2, В. А. Кукареко2, *

Физико-технический институт НАН Беларуси, 220141 Минск, Беларусь 2Объединенный институт машиностроения НАН Беларуси, 220072 Минск, Беларусь

*Е-таИ: v_kukareko@mail.ru Поступила в редакцию 23.01.2015 г.

Исследовано влияние высокотемпературного ионно-лучевого азотирования на структуру и фазовый состав газотермического покрытия из проволочной стали аустенитного класса 06Х19Н9Т, полученного методом гиперзвукового напыления. Обнаружена зона с пониженным содержанием хрома на границе азотированного слоя. Сделано заключение, что в процессе ионно-лучевой обработки покрытия из стали с высоким содержанием хрома на стадиях формирования нитридной фазы СгМ атомы Сг диффундируют в азотированный слой из нижележащих слоев покрытия.

Ключевые слова: ионно-лучевое азотирование, аустенитные стали, гиперзвуковое напыление. БО1: 10.7868/80207352815080053

ВВЕДЕНИЕ

Напыление покрытий на изношенные детали машин методами газотермического напыления является перспективным и интенсивно развивающимся технологическим способом восстановления и защиты изделий от износа и коррозии [1]. Однако, несмотря на доступность используемых при таком напылении материалов, а также высокую плотность, адгезию и минимальную удельную стоимость проволочных покрытий [1, 2], их износостойкость существенно ниже, чем у монолитных материалов и напыленных композиционных порошковых слоев, что резко ограничивает эффективность и область применения методов газотермического напыления. Одним из наиболее перспективных способов повышения прочности и износостойкости газотермических покрытий является использование технологии низкоэнергетического ионно-лучевого азотирования поверхностных слоев [3]. Метод низкоэнергетического ионно-лучевого азотирования основан на обработке материалов пучками ионов азота с энергией ~103 эВ и большими плотностями ионного тока (~1—10 мА/см2). В поверхностном слое обрабатываемой детали развиваются процессы радиационно-стимулированной диффузии, обеспечивающие высокую скорость и глубину насыщения (~10—150 мкм) покрытий атомами азота, придающими поверхностным слоям высокую твердость и коррозионную стойкость [3]. Струк-

турно-фазовое состояние и механические свойства ряда металлических материалов, обработанных ионами азота, изучены достаточно подробно [3—6]. В частности, в [5, 6] показано, что ионно-лучевое азотирование аустенитных сталей при 820—870 К сопровождается существенными изменениями структурно-фазового состояния имплантированных слоев, уменьшением их микротвердости и износостойкости по сравнению с более низкими температурами ионно-лучевого азотирования. Поскольку для газотермических покрытий характерно образование большого количества оксидов и дефектов кристаллической решетки, то представляло интерес исследовать влияние высокотемпературного ионно-лучевого азотирования на структурно-фазовое состояние, распределение легирующих элементов и микротвердость поверхностных слоев газотермического покрытия из высоколегированной аустенитной стали 06Х19Н9Т.

МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЙ

Исследования проводились на образцах, изготовленных из стали Ст45 (10 х 6 х 5 мм) с напыленным слоем из проволочной стали 06Х19Н9Т Напыление гиперзвукового покрытия осуществлялось с помощью установки АДМ-10, разработанной в ОИМ НАН Беларуси. Для напыления

Рис. 1. Микроструктура газотермического покрытия из стали 06Х19Н9Т а — исходное состояние; б — после ионно-лу-чевого азотирования при 870 К в течение 3 ч.

использовалась проволока диаметром 2.0 мм. Химический состав проволочной стали соответствует ГОСТ 2246-70: С - 0.06; Cr - 19.5; Ni -10.0; Ti - 0.60; Mn - 2.00; Si - 0.80 мас. %; Fe - основа.

Ионно-лучевая обработка осуществлялась на экспериментальной установке ФТИ НАН Беларуси с помощью ионного источника УВН-2М. Температура азотирования 870 К. Плотность тока ионного пучка составляла 2 мА/см2, время обработки 3 ч. Рентгеновская съемка образцов проводилась на дифрактометре ДРОН-3 (Со^"а-излуче-ние). Запись линий осуществлялась в режиме сканирования. Шаг сканирования 0.1°, время набора импульсов в точке 10 с. Образцы для металлографических исследований шлифовали наждачной бумагой с зернистостью 9.5-11.1 мкм и доводили до нужного рельефа поверхности алмазной пастой с зернистостью алмазного порошка 1 мкм. Для травления образцов использовали реактив Куррана (50 мл HCl + 10 г CuSO4 + 50 мл H2O). Пористость газотермического покрытия определяли методом секущих (ГОСТ 18898-89) на механически полированной поверхности шлифа. Металлографические исследования проводили с использованием оптического микроскопа Альтами Мет 1МТ и сканирующего электронного микроскопа Tescan Vega 3 LMH. Микроанализ - с помощью энергодисперсионного спектрометра X-Max 150 производства Oxford Instruments с программным обеспечением AZtec Automated. Точность определения химического состава составляла ±0.05-0.1 мас. %. Микротвердость измеряли методом Виккерса на твердомере DuraScan 20 при нагрузке на индентор Р = 25 г (0.24 Н).

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИИ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

На рис. 1а представлена характерная микроструктура напыленного покрытия (толщиной ~0.8 мм) из аустенитной стали 06Х19Н9Т. Можно видеть, что в результате гиперзвукового напыления формируется слоистая структура с высоким содержанием оксидов (~25%), располагающихся на границах напыленных металлических частиц (рис. 1). Остаточная пористость покрытия не превышала ~5%. Микротвердость поверхностного слоя покрытия составляла ~350 HV.

На рис. 2 приведено изображение микроструктуры газотермического покрытия из стали 06Х19Н9Т, полученное в режиме высокого разрешения в сканирующем электронном микроскопе Tescan Vega 3 LMH. Можно видеть, что покрытие содержит прослойки металла и оксидов. В таблице представлен химический состав основных структурных составляющих газотермического покрытия из стали 06Х19Н9Т. Из результатов рентгеноспектрального микроанализа следует, что состав прослоек металла в покрытии приблизительно соответствует составу исходной стали 06Х19Н9Т. В состав оксидных прослоек, наряду с атомами Fe, в значительных количествах входят атомы титана, хрома и кислорода. Весь титан, содержащийся в стальной проволоке, вследствие высокого сродства к кислороду связывается в оксиды. Фазовый состав покрытия из аустенитной стали 06Х19Н9Т следующий: y-(Fe, Cr), a-(Fe, Cr), Fe3O4 и FeO (рис. 3а). Содержание аустенита в покрытии составляет VY = 67 об. %.

В результате ионно-лучевого модифицирования газотермического покрытия из аустенитной стали 06Х19Н9Т при 870 K на поверхности фор-

ОСОБЕННОСТИ ДИФФУЗИОННОГО ПЕРЕНОСА АТОМОВ ХРОМА

63

Рис. 2. Микроструктура газотермического покрытия из стали 06Х19Н9Т в исходном состоянии (а) и данные локального рентгеноспектрального микроанализа различных прослоек покрытия, полученные в сканирующем электронном микроскопе Tescan Vega 3 LMH (б).

мируется азотированный слой толщиной примерно от 20 до 55 мкм (рис. 1б). Неравномерность глубины азотированного слоя связана с неодинаковым размером напыленных частиц, расположенных на поверхности покрытия. Поскольку оксидные прослойки на границах напыленных частиц выступают в качестве барьера для диффузии атомов азота в подповерхностные слои, то азотированный слой повторяет рельеф находящихся на поверхности покрытия напыленных частиц (рис. 1б). Микротвердость покрытия после ионного азотирования возрастает до ~1000 НУ

На рис. 3б представлен фрагмент рентгеновской дифрактограммы поверхностного слоя обработанного ионами азота газотермического покрытия из стали 06Х19Н9Т. Из данных рентгено-фазового анализа следует, что в результате ионного азотирования при 870 К в поверхност-

ном слое покрытия из стали 06Х19Н9Т в значительных количествах образуются частицы нитрида СгК (рис. 3б).

Распределение химических элементов (в мас. %) по глубине обработанного ионами азота при 870 К газотермического покрытия из стали 06Х19Н9Т приведено на рис. 4. Можно видеть, что концентрация азота на поверхности покрытия достигает ~8 мас. % (~23 ат. %) и сохраняет высокие значения до глубины ~16 мкм. Далее содержание азота быстро падает и на глубине ~19—20 мкм понижается до нуля. Содержание хрома в поверхностном слое составляет ~19 мас. % (~17 ат. %) и сохраняется на этом уровне до границы азотированного слоя. На границе слоя концентрация Сг сильно понижается (рис. 4). Толщина слоя с пониженным содержанием Сг составляет ~7 мкм. Далее на глубине более 26 мкм содержание атомов хрома в

Химический состав различных прослоек газотермического покрытия из стали 06Х19Н9Т в исходном состоянии

Структурная составляющая Состав, мас. %

Si Ti Cr Mn Fe Ni O

Прослойка металла 0.4 - 19.9 1.0 68.8 9.9 -

Оксидная прослойка - 0.6 16.0 - 51.5 6.9 25.0

Усредненный состав покрытия 0.4 - 18.7 1.2 62.3 9.0 8.4

3500 г 3000 -2500 -2000 -1500 1000 500

(а)

20

О ОП

О

СО £ Ь

-

о о Л

° Рн о л

а Рн

Л

40

60

80 100 29, град

2500 г

д щ

К н о

л н о о К т

и

о К <о н К

К

120 140

2000 -

1500

1000 -

500

20

40

60

80 100 29,град

120

140

Рис. 3. Фрагменты рентгеновских дифрактограмм поверхностных слоев газотермического покрытия из стали 06Х19Н9Т: а — исходное состояние; б — после ионно-лучевого азотирования при 870 К в течение 3 ч.

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36

мкм

Рис. 4. Распределение Fe, N1, Сг, N по глубине газотермического покрытия из стали 06Х19Н9Т, прошедшего ионно-лучевую обработку при 870 К в течение 3 ч.

покрытии восстанавливается до исходного уровня, составляющего 19.5 мас. %. Присутствие значительного количества внедренных атомов азота в имплантированном покрытии приводит к перераспределению процентного содержания различ-

ных элементов. В связи с этим для сравнительной оценки относительного содержания атомо

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

Пoхожие научные работыпо теме «Физика»