ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2007, том 104, № 6, с. 641-649
= ПРОЧНОСТЬ И ПЛАСТИЧНОСТЬ =
УДК 669.15 76-194:539.538
СТРУКТУРНОЕ СОСТОЯНИЕ и износостойкость МОДИФИЦИРОВАННЫХ ИОНАМИ АЗОТА ХРОМИСТЫХ СТАЛЕЙ
© 2007 г. Ä. В. Белый*, В. Ä. Кукареко**
*Физико-технический институт НАН Беларуси, 220141, Минск, ул. Купревича 10 **Объединенный институт машиностроения НАН Беларуси, 220072, Минск, ул. Академическая 12
Поступила в редакцию 22.09.2006 г.; в окончательном варианте - 09.03.2007 г.
Исследованы структура и фазовый состав ряда типичных хромистых сталей, подвергнутых ионно-лучевой обработке интенсивными пучками ионов азота, а также изучено влияние параметров структурного состояния модифицированных слоев на их твердость и износостойкость в условиях трения без смазочного материала. Определено количественное содержание и размер частиц CrN в имплантированных азотом высокохромистых сталях. Обнаружено образование полей упругих межфазовых деформаций в модифицированных слоях высокохромистых сталей, содержащих частицы CrN, и оценена величина фактора объемного несоответствия Av/v. Показано, что ионно-лучевое азотирование существенно повышает износостойкость модифицированных азотом слоев высокохромистых сталей. Сделано заключение, что частицы CrN блокируют пластические сдвиги в модифицированных слоях, препятствуют процессам локализации деформации в них и приводят к замедлению кинетики зарождения и распространения микротрещин при трении. Установлено, что увеличение объемной доли частиц CrN, содержащихся в модифицированных слоях хромистых сталей, сопровождается пропорциональным возрастанием их износостойкости.
PACS 62.20.Qp, 81.40.Pq
ВВЕДЕНИЕ
Для создания материалов с модифицированными поверхностными слоями, обладающими высоким сопротивлением разрушению, широко используются различные виды лучевых и плазменных технологий [1]. Формирующиеся при таком воздействии упрочненные слои и покрытия характеризуются градиентом структурных параметров и свойств по глубине слоя. Управляя процессами структурообразования при высокоэнергетическом воздействии, можно создавать градиентные слои с требуемым комплексом эксплуатационных характеристик [2]. Одним из наиболее эффективных методов модифицирования конструкционных материалов на железной основе является их обработка концентрированными пучками низкоэнергетических ионов атомов внедрения [3]. Основными причинами ускоренного развития технологии интенсивной ионно-лучевой обработки примесями внедрения и, в частности, ионами азота является простота получения соответствующих ионных пучков высокой плотности, сравнительно большая глубина проникновения ионов, их высокая химическая активность и возможность образования высокопрочных частиц включений в поверхностных слоях обрабатываемых металлических материалов. Сильноточная ионно-лучевая обработка
сопровождается разогревом поверхностных слоев до температур, обеспечивающих эффективное диффузионное перераспределение имплантированных атомов, что позволяет сочетать преимущества традиционной химико-термической обработки и ионно-лучевых технологий. Поскольку роль строения модифицированных ионами азота слоев в формировании характеристик их износостойкости подробно не изучена, задачей данной работы являлось систематическое исследование структурного состояния, а также триботехниче-ских свойств ряда имплантированных ионами азота хромистых сталей. Материалами для исследований были выбраны типичные конструкционные и инструментальные стали, легированные хромом - 40Х, 20X13, 40X13 и 95X18.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Исследования проводились на образцах, изготовленных из промышленных сталей 40Х, 20X13, 40X13 и 95X18 (химический состав сталей приведен в табл. 1), прошедших предварительную закалку по стандартным режимам (табл. 2). Ионно-лучевое азотирование образцов осуществлялось при энергии ионов 3 кэВ и плотности ионного тока 2 мА/см2 [3]. Флюенс легирования составлял ~3 х х 1019 см-2. Температура образцов в процессе ион-
Таблица 1. Химический состав исследуемых хромистых сталей
Элемент, мас. %
Сталь
C Cr Si Mn Ni Fe
40X 0.39 0.95 0.17 0.60 0.20 Основа
20X13 0.25 12.90 0.09 0.28 0.40 Основа
40X13 0.45 13.45 0.20 0.14 0.51 Основа
95X18 0.98 20.15 0.14 0.38 0.95 Основа
но-лучевой обработки составляла 620, 670, 720 и 770 К. Исследование структуры материалов осуществлялось с использованием методов рентге-ноструктурного анализа и оптической микроскопии. Рентгеноструктурный анализ выполнялся на дифрактометре ДР0Н-3.0. Съемки проводили в монохроматизированных СоКа и СиКа излучениях при ускоряющем напряжении 30 кВ и анодном токе 10 мА. Рентгеновская съемка осуществлялась с фокусировкой по Бреггу-Брентано в режиме сканирования (по точкам) с шагом 0.1° и временем набора импульсов на точку, равном 40 с.
Размер частиц нитридной фазы CrN определялся рентгенографически по величине физического уширения дифракционной линии (111) с использованием выражения Селякова-Шерера [4]. Количественная оценка содержания частиц фазы CrN в слое проводилась с помощью рентгено-структурного фазового анализа [4] по методике [5]. Электролитическое экстрагирование частиц нитридной фазы CrN из поверхностного слоя имплантированной при 770 К закаленной стали 40X13 проводилось с использованием электролита Поповой (75 г KCl + 5 г лимонной кислоты + + 1000 мл воды) [6].
Испытания триботехнических свойств осуществлялись на трибометре АТВП [7] в условиях трения без смазки (адгезионное взаимодействие) при возвратно-поступательном перемещении образца (10 х 6 х 5 мм) относительно контртела. Средняя скорость взаимного перемещения составляла ~0.1 м/с, амплитуда возвратно-поступательного движения - 25 мм. Размер плоской рабочей поверхности образцов составлял 6 х 10 мм. Номинальное удельное давление испытаний pa = = 1.5 МПа. В качестве контртела использовалась пластина с размерами 4 х 40 х 90 мм, изготовлен-
Таблица 2. Микротвердость Н019, фазовый состав и глубина модифицированного слоя для хромистых сталей, обработанных ионами азота
Сталь Режим имплантации N+ Глубина слоя, мкм H0.19, МПа Основные фазы
40Х (закалка 1130 К, Исходный - 6700 a-Fe; Fe3C (в следах)
вода) 620 5-10* 8750 е; Y; a-Fe
670 15-20* 9600 е; У; a-Fe
720 20-30* 11000 е; У; a-Fe
770 30-40* 9700 У; е; a-Fe
20X13 (закалка 1300 К, Исходный - 5500 a-Fe
масло) 620 5-10 13000 е; a ; a^
670 15-17 17500 е; У; a''; aN
720 30-32 16000 У; a''; CrN; aN
770 35-40 11500 CrN; a-Fe
40X13 (закалка 1310 К, Исходный - 6500 a-Fe; Cr23C6 (в следах)
масло) 620 5-10 11500 е; a''; aN
670 12-15 17000 е; У; a''; aN
720 25-30 17000 У; a''; CrN; aN
770 30-40 12000 CrN; a-Fe
95X18 (закалка 1370 К, Исходный - 8000 a-Fe; y; O^; CrA
масло) 620 5-7 12000 е; a''; Yn; aN; Cr23C6
670 12-15 18000 е; У; a''; aN
720 25-30 17000 У; a''; CrN; aN
770 30-35 13000 CrN; a-Fe
* В связи с плохой травимостью азотированного слоя в стали 40Х определялась его эффективная глубина по толщине слоя, имеющего микротвердость > 5000 МПа.
Рис. 1. Микроструктура поверхностных слоев имплантированных азотом при 770 К сталей 40Х (а) и 40X13 (б).
ная из закаленной стали У8 (НУ = 8000 МПа). Проводились сравнительные испытания на износостойкость образцов исследуемых сталей в исходном состоянии, а также после низкоэнергетического ионно-лучевого азотирования при различных температурах. Испытания проводились до достижения 20000 циклов (путь трения 1000 м) с определением весового износа образцов. Интенсивность изнашивания определялась отношением весового износа к пути трения. Образцы взвешивались на аналитических весах АДВ-200М. Ошибка измерения массы образцов не превышала 0.05 мг. В процессе испытания регистрировались текущие значения коэффициента трения/. Измерения микротвердости проводились на приборе ПМТ-3 при нагрузке 0.19 Н.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Структура. Данные оптической металлографии свидетельствуют о том, что обработка хромистых сталей интенсивными пучками ионов азота приводит к легированию их поверхностных слоев на глубину до 40 мкм (см. табл. 2, рис. 1). На микрофотографии, полученной от имплантированной азотом при 770 К низколегированной стали 40X, можно видеть расположенную на поверхности светлую нитридную зону и область внутреннего азотирования с частицами нитридов, выделившихся преимущественно по границам зерен и мартенситных игл (рис. 1а). Модифицированный слой не имеет четко выраженной границы с неимплантированной матрицей. Полученные результаты свидетельствуют о важной роли зернограничной диффузии в формировании модифицированных слоев при ионно-лучевой обработке низколегированной стали 40X, характеризующейся низкой растворимостью примесей
внедрения. В случае высокохромистых сталей результаты металлографического анализа модифицированных азотом слоев свидетельствуют о преимущественно объемном механизме диффузии легирующей примеси при имплантации (рис. 16). Указанная особенность связана с высокой растворимостью азота в легированной хромом матричной а-фазе [8].
Микротвердость низколегированной стали 40X в результате имплантации ионов азота увеличивается до #0.19 = 10000-11000 МПа, а высоколегированных хромистых сталей до Н0.19 = 1700018000 МПа (см. табл. 2). Модифицирование стали 40X ионами азота при 620-770 К приводит к выделению в поверхностных слоях нитридных фаз У-Ре^ и е-Ре2 _ При повышенных температурах ионно-лучевого азотирования (770 К) в модифицированных слоях стали 40X преимущественно образуется низкоазотистая фаза У-Ре^ (см. табл. 2, рис. 2а). В высокохромистых сталях после обработки при 620-720 К в модифицированном слое регистрируются у'-, е- и а''-нитриды [9] и азотистый мартенсит а№ Необходимо отметить, что уже после ионной обработки высокохромистых сталей при 670-770 К дифракционных линий от частиц исходных карбидных фаз в рентгеновских спектрах не обнаруживается (см. рис. 2). В связи с этим можно полагать, что в облученном ионами азота слое, наряду с выделением нитридов из азотистого твердого раствора, также происходит трансформация карбидных частиц в нитридные. Указанная трансформация карбидов в нитриды -явление
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.