Представлені результати аналізу елементного і фазового складу, дефектної структури і профілю мікротвердості вуглецевої сталі, підданої комплексної обробці, що складається в її електропідривної легировании міддю і подальшому електронно-Пучкова опроміненні. Виявлено кардинальна зміна структури і кратне (в 5 ... 6 разів по відношенню до серцевини зразка) збільшення мікротвердості поверхні.

Анотація наукової статті з нанотехнологій, автор наукової роботи - Іванов Юрій Федорович, Філімонов Семен Юрійович, Тереса Антон Дмитрович, Колубаева Юлія Олександрівна, Будовський Євген Олександрович


The results of analysis of elemental and phase composition, defect structure and micro-hardness profile of carbon steel subjected to combined treatment consisting in its electroexplosive doping with copper and following electron beam treatment have been introduced. Cardinal change of the structure and multiple increase (in 5 ... 6 times towards the sample core) of surface micro-hardness is determined.


Область наук:
  • нанотехнології
  • Рік видавництва: 2011
    Журнал: Известия Томського політехнічного університету. Інжиніринг ГЕОРЕСУРСИ
    Наукова стаття на тему 'Легування поверхні вуглецевої сталі міддю шляхом електричного вибуху провідника і подальшої електронно-пучкової обробки'

    Текст наукової роботи на тему «Легування поверхні вуглецевої сталі міддю шляхом електричного вибуху провідника і подальшої електронно-пучкової обробки»

    ?УДК 621.785

    Легування ПОВЕРХНІ ВУГЛЕЦЕВОЇ СТАЛИ міддю ШЛЯХОМ електричного ВИБУХУ ПРОВІДНИКА І ПОДАЛЬШОЇ ЕЛЕКТРОННО-Пучкова ОБРОБКИ

    Ю.Ф. Іванов, С. Ю. Філімонов *, А.Д. Тересов, Ю.А. Колубаева, E.A. Будовський **, В.Є. Громов **

    Інститут потужнострумової електроніки, Томськ * Томський політехнічний університет ** Сибірський державний індустріальний університет, м Новокузнецьк E-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    Представлені результати аналізу елементного і фазового складу, дефектної структури і профілю мікротвердості вуглецевої сталі, підданої комплексної обробці, що складається в її електропідривної легировании міддю і подальшому електронно-Пучкова опроміненні. Виявлено кардинальна зміна структури і кратне (в 5 ... 6 разів по відношенню до серцевини зразка) збільшення мікротвердості поверхні.

    Ключові слова:

    Електропідривної легування, електронно-пучкова обробка, міднення, елементний і фазовий склад, дефектна субструктура, профіль мікротвердості. Key words:

    Electroexplosive doping, electron beam treatment, copper plating, elemental and phase composition, defect substructure, microhar-dness profile.

    Вступ

    В останні десятиліття широкого поширення набули методи обробки металів і сплавів, засновані на використанні концентрованих потоків енергії (потоки плазми, потужні іонні пучки і пучки електронів, промені лазера) [1, 2]. Перспективним вважається комплексна обробка матеріалу, що поєднує кілька методів впливу. Такий підхід дозволяє мінімізувати недоліки окремо взятих методів і посилити їх гідності [3-5]. Одним з методів модифікування поверхні матеріалів, заснованим на використанні концентрованих потоків енергії, є електропідривної легування [6, 7].

    Електропідривної легування металів і сплавів здійснюється при імпульсному впливі на поверхню багатофазних плазмових струменів, з формованих при електричному вибуху провідників. Установки електропідривної легування, як правило, включають в себе ємнісний накопичувач енергії і плазмовий прискорювач, що складається з електродів з розміщеним на них вибухають провідником, розрядної камери, локалізуючої продукти вибуху, і формує сопла, за яким вони закінчуються в Вакуумована-ву технологічну камеру з деяким залишковим тиском.

    Продукти електричного вибуху є багатофазну систему, що включає як плазмовий компонент, так і конденсовані частки різної дисперсності [6, 7]. При формуванні струменя її фронт утворює плазмовий компонент, конденсовані ж частинки, володіючи більшою інертністю, розташовуються в тилу струменя. Це призводить не тільки до поверхневого легування, а й формуванню покриття, що є, як правило, високопористим, содер-

    жащім велика кількість крапельної фракції, мікрократерів і мікротріщин, що істотно знижує службові характеристики обробленої деталі. Одним із способів усунення даного недоліку електропідривної методу легування матеріалу є додаткова обробка поверхні концентрованими потоками енергії. У даній роботі для цієї мети були використані низькоенергетичні сільноточние електронні пучки субміллісекундной тривалості впливу. Застосування таких пучків для обробки поверхні матеріалів дозволяє сконцентрувати за короткий проміжок часу (10-5 ... 10-4с) високу щільність енергії (10 ... 100 Дж / см2) в тонкому (0,1 ... 10 мкм) при поверхневому шарі [8. Р. 205-240]. Надвисокі швидкості розігріву до температур плавлення і подальше високошвидкісне охолодження тонкого приповерхневого шару зразка формують нано-і субмікрокристалічної багатофазні стану, недосяжні для традиційних методів термічної і термомеханічної обробки [9].

    Матеріали на основі поєднання елементів залізо-мідь (сталь-мідь) до теперішнього часу знайшли широке застосування в різних галузях промисловості, незважаючи на складності формування, обумовлені обмеженою взаємною розчинністю цих речовин в рівноважних умовах [10-14].

    Метою роботи було насичення поверхневого шару стали 45 міддю методом, що поєднує електропідривної легування і подальшу електронно-пучкову обробку, аналіз її структури і властивостей.

    Матеріал і методика дослідження

    Як матеріал підкладки використовували зразки вуглецевої сталі 45 в отожженном зі-

    стоянні (т. е. має ферито-перлітною структурою). Зразки мали форму циліндрів товщиною 10 мм і діаметром 25 мм. Електропідривної легування (СібГІУ, м Новокузнецьк) здійснювали на установці, що використовує коак-сіально-торцеві електроди, шляхом електричного вибуху мідних фольги товщиною 20 мкм. Натікання-ня струменя на опромінюється поверхню при даному способі обробки супроводжується утворенням поблизу неї ударно-стисненого шару з високими значеннями температури (~ 104К) і тиску (~ 13 МПа). Це забезпечувало поглинається щільність потужності 5,5 ГВт / м2 і робило можливим оплавлення і легування поверхневих шарів за малий час впливу (100 мкс) без виплеску розплаву; залишковий тиск у технологічній камері ~ 100 Па [6]. Електронно-пучкову обробку поверхні проводили в ІСЕ СО РАН на установці «СОЛО» [15]. Щільність енергії пучка електронів змінювали з кроком в 5 Дж / см2 від 15 до 30 Дж / см2, число імпульсів впливу 10 при тривалості імпульсу 50 мкс і частоті проходження імпульсів 0,3 Гц; обробку проводили в середовищі аргону при тиску 10-2Па. Дослідження структури і елементного складу стали здійснювали методами світловий (на мікроскопі OLYMPUS GX71) і скануючої електронної мікроскопії на мікроскопі Philips SEM 515. Зміна механічних характеристик матеріалу характеризували мікротвердістю, яка визначається за методом

    Віккерса при навантаженні 0,98 Н по 80 ... 100 відбитками на Мікротвердоміри ПМТ-3. Похибка вимірювання склала ~ 7%.

    Результати досліджень та їх обговорення

    Дослідження, виконані методами світлової мікроскопії поперечного шліфа, дозволили показати, що в результаті електропідривної міднення в приповерхневому обсязі зразка формується багатошарова структура: шар жідкофаз-ного легування товщиною 11 мкм, наступний за ним шар термічного впливу товщиною ~ 12,5 мкм, що плавно переходить в основний обсяг [16]. Шар жидкофазного легування і шар термічного впливу розділені зубчастої кордоном, формування якої обумовлено перебігом розплаву уздовж поверхні обробки [6, 7].

    У зв'язку з тим, що продукти електричного вибуху є багатофазну систему, поряд з легуванням електропідривної обробка призводить до формування на оброблюваної поверхні високодефектного покриття (рис. 1, а). Подальша електронно-пучкова обробка зразка в зазначеному вище режимі роботи електронного джерела призводить до плавлення і вигладжування поверхневого шару. При щільності енергії пучка електронів ~ 15 Дж / см2 реалізується режим початкового плавлення. Поверхня легування виглажівается, проте залишаються острівці вихідного покриття (рис. 1, б). плавлення покрила-

    Мал. 1. Структура поверхні (а-в) і поперечного перерізу (г) зразка стали 45 після електропідривної міднення (а) і подальшої електронно-пучкової обробки (б-г) по режиму 15 Дж / см2; 10 імп .; 50 мкс. На (г): 1) шар жидкофазного легування; 2) шар термічного впливу; 3) основний обсяг стали

    ку супроводжується формуванням численних крапель міді, розміри яких змінюються в межах від 2 до 10 мкм (рис. 1, в). ТЕРМОПРУЖНОСТІ напруги, що формуються в поверхневому шарі стали в результаті високих швидкостей охолодження, ініціюють процес утворення тріщин (рис. 1, в). Мікротріщини в більшості випадків розташовані хаотично на поверхні обробки. Товщина шару жидкофазного легування і шару термічного впливу, створені при електропідривної меднении стали, при цьому режимі електронно-пучкової обробки практично не змінюються (рис. 1, г).

    Збільшення щільності енергії пучка електронів до 20 Дж / см2 (10 імп .; 50 мкс) призводить до істотної зміни структури поверхні електропідривної легування. По-перше, формується регулярна сітка мікротріщин (рис. 2, а). Відстань між микротрещинами змінюється в межах від 20 до 65 мкм. По-друге, виявляються мікрократерів (рис. 2, а). По-третє, виявляється структура дендритних кристалізації (рис. 2, б, в). Розміри дендритів змінюються в межах від 0,2 до 0,5 мкм. Аналізуючи структуру дендритних кристалізації, можна виділити освіти равноосной форми, еліпсоїдальної форми і освіти еліпсоїдальної форми з бічними відростками (рис. 2, б, в). Кожен з виділених типів дендритів формує замкнуті, разоріентіровать один щодо одного, області на поверхні кристалізації.

    Розміри таких областей змінюються в межах від 1,5 до 5,5 мкм. Очевидно, що дані разоріентіровать області є зернами подповерхностного шару сталі, орієнтація яких відносно поверхні обробки задає морфологію і напрямок росту дендритів. Аналіз структури поперечного перерізу даного зразка показав, що збільшення щільності енергії пучка електронів з 15 до 20 Дж / см2 (10 імп .; 50 мкс) супроводжується зростанням товщини шару жидкофазного легування в ~ 1,4 рази (рис. 2, г).

    Збільшення щільності енергії пучка електронів до 30 Дж / см2 (10 імп .; 50 мкс.), Якісно не змінюючи структури поверхні опромінення (щодо структури поверхні зразка, обробленого електронним пучком з щільністю енергії 20 Дж / см2), призводить до деяких кількісних змін. А саме: збільшуються відстань між микротрещинами (змінюється в межах від 30 до 85 мкм), розміри зерен подповерхностного шару (змінюються в межах від 5 до 11 мкм), товщина шару термічного впливу в ~ 1,7раза і шару жидкофазного легування в ~ 1, 5 рази (по відношенню до даних параметрами зразка, підданого тільки електропідривної легування); розміри дендритів практично не змінюються.

    Паралельно з дослідженням структури поверхні меднения методами скануючої електронної мікроскопії був здійснений елементний аналіз поверхневого шару з метою визна-

    лення концентрації в ньому міді (дослідження здійснювалися на растровому електронному мікроскопі Philips SEM 515, оснащеному мікроаналізаторах EDAX ECON IV). Профілі концентрації міді будували, використовуючи методику косого шліфа (кут нахилу площини шліфа до поверхні обробки ~ 7 °). Результати дослідження представлені на рис. 3. З представлених на рис. 3 результатів випливає, що атоми міді виявляються в шарі товщиною 13 ... 14 мкм, т. Е. В шарі, який плавиться при електропідривної легировании і електронно-пучкової обробці. Концентрація міді максимальна біля поверхні обробки і швидко спадає в міру віддалення вглиб зразка. Електронно-пучкова обробка стали в режимі активного плавлення призводить до багаторазового зниження концентрації міді в поверхневому шарі як в результаті дифузії міді в обсяг матеріалу (при щільності енергії пучка електронів ES = 20 і 25 Дж / см2), так і в результаті випаровування (ES = 30 Дж / см2).

    два максимуму (один - на поверхні, другий в підповерхневому шарі). Профілі першої групи виявлені на зразку, підданому електропідривної меднением (на рис. 4 - вихідний) і зразку після додаткової обробки при щільності енергії пучка електронів? ^ = 15 Дж / см2, при якій реалізується, як було встановлено при дослідженні структури поверхні обробки, режим початкового плавлення поверхні (рис. 1). Профілі другої групи виявлені на зразках, обробка поверхні меднения електронним пучком яких здійснювалася в режимі активного плавлення (Д>20 Дж / см2). Чітко видно, що активне танення поверхні електропідривної меднения супроводжується істотним збільшенням мікротвердості поверхневого шару (рис. 4, криві 2-4). Максимальні значення мікротвердості поверхневого шару стали виявлені в зразку, обробленому електронним пучком при Е = 30 Дж / см2, мінімальні - після опромінення електронним пучком при Е = 15 Дж / см2.

    X, мкм

    Мал. 3. Профіль концентрації міді в поверхневому шарі сталі, підданої електропідривної меднением і подальшої електронно-пучкової обробці при щільності енергії пучка електронів (Дж / см2): 1) 15; 2) 20; 3) 25; 4) 30 (10 імп .; 50 мкс; 0,3 Гц)

    Очевидно, що настільки істотна зміна структури і елементного складу поверхневого шару сталі повинно сприяти зміні механічних властивостей матеріалу, які характеризували шляхом визначення мікротвердості. Профілі мікротвердості зразків стали після електропідривної легування і додаткової електронно-пучкової обробки будували, використовуючи методику косого шліфа (кут нахилу площини шліфа до поверхні обробки ~ 7 °). Аналізуючи результати, представлені на рис. 4, можна відзначити, що за характером зміни мікротвердості від відстані до поверхні обробки представлені на рис. 4 залежно поділяються на дві групи.

    До першої віднесемо профілі мікротвердості, що мають один максимум, що розташовується в підповерхневому шарі на глибині ~ 7 мкм; до другої - профілі мікротвердості, що мають

    Мал. 4. Профіль мікротвердості сталі, підданої електропідривної легування міддю (вихідний) і подальшої електронно-пучкової обробці при щільності енергії пучка електронів (Дж / см2): 1) 15; 2) 20; 3) 25; 4) 30 (10 імп .; 50 мкс; 0,3 Гц). ЗЛ - зона жидкофазного легування; ЗТВ - зона термічного впливу

    Очевидно, що кратне збільшення мікротвердості поверхневого шару сталі, підданої електропідривної легування міддю і подальшої електронно-пучкової обробці, обумовлено модифікацією елементного і фазового зі-

    HV

    1400 1200 1000800600 400

    12

    16

    20

    24

    Cu, мас.%

    Мал. 5. Залежність твердості поверхневого шару стали 45, підданої електропідривної меднением і подальшої електронно-пучкової обробці, від концентрації міді в стали

    става, а також дефектної структури матеріалу. Представлені в даній роботі результати дозволяють висвітлити роль міді в збільшенні мікротвердості стали. На рис. 5 приведена залежність мікротвердості поверхні легування стали від концентрації в ній міді. Аналізуючи представлену залежність, можна відзначити, що зі збільшенням концентрації атомів міді в поверхневому шарі стали її мікротвердість зменшується. У міру зменшення концентрації міді

    мікротвердість поверхневого шару збільшується, демонструючи тенденцію до насичення.

    висновок

    Виконано легування стали 45 міддю за допомогою електричного вибуху провідника і подальшої електронно-пучкової обробки. Виконано дослідження структури і елементного складу приповерхневого шару. Встановлено, що електропідривної легування стали міддю супроводжується формуванням багатошарової структури, що складається з високодефектного покриття, шару плавлення і шару термічного впливу, плавно переходить в основний обсяг стали. В результаті електропідривної легування мікротвердість поверхневого шару стали збільшується в ~ 3,5 рази по відношенню до мікротвердості серцевини зразка. Подальше електронно-пучкове опромінення супроводжується вигладжуванням поверхні зразка в результаті плавлення поверхневого шару, зниженням концентрації міді на поверхні обробки за рахунок дифузії в об'єм матеріалу і часткового випаровування, кратним (в ~ 6 разів по відношенню до мікротвердості серцевини зразка) збільшенням мікротвердості. Показано, що надмірна концентрація міді призводить до зниження мікротвердості стали.

    Робота виконана за часткової фінансової підтримки грантів РФФД (проекти № 08-02-00024, 08-08-92207, 09-02-90456), а також спільного проекту фундаментальних досліджень НАН Білорусі та СО РАН № 7.

    4

    8

    СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

    1. Крапошін В.С. Термічна обробка сталі і сплавів із застосуванням лазерного променя і інших прогресивних видів нагріву // Підсумки науки і техніки. Металознавство і термічна обробка. - М .: ВІНІТІ, 1987. - Т. 21. - С. 144-206.

    2. Грибков В.А., Григор'єв Ф.І., Калин Б.А., Якушин В.Л. Перспективні радіаційно-пучкові технології обробки металів. - М .: Круглий рік, 2001. - 528 с.

    3. Чудина О.В. Комбіновані методи поверхневого зміцнення сталей із застосуванням лазерного нагріву: теорія і технологія. - М .: МАДІ (ГТУ), 2003. - 248 с.

    4. Приходько В.М., Петрова Л.Г., Чудина О.В. Металлофізіче-ські основи розробки зміцнюючих технологій. - М .: Машинобудування, 2003. - 384 с.

    5. Чудина О.В., Александров В.А., Уханов Н.В., Самойлов В.І. Підвищення зносостійкості конструкційних сталей комбінованим методом термодиффузионного зміцнення // Зміцнюючі технології та покриття. - 2007. - № 4. -С. 29-33.

    6. Будовський Е.А., Саричев В.Д., Громов В.Є., носаря П.С., Мартусевич Є.В. Основи технології обробки поверхні матеріалів імпульсної гетерогенної плазмою. - Новокузнецьк: Вид-во СібГІУ, 2002. - 170 с.

    7. Багаутдинов А.Я., Будовський Е.А., Іванов Ю.Ф., Громов В.Є. Фізичні основи електропідривної легування металів і сплавів. - Новокузнецьк: Вид-во СібГІУ, 2007. - 301 с.

    8. Rotshtein V., Ivanov Yu., Markov A. Materials surface processing by directed energy techniques. Surface treatment of materials with low-energy, high-current electron beams. Charter 6 in Book / Ed. by Y. Pauleau. - Grenoble: Elsevier, 2006. - 763 р.

    9. Коваль М.М., Іванов Ю.Ф. Наноструктурування поверхні металокерамічних і керамічних матеріалів при імпульсної електронно-пучкової обробці // Известия вузів. Фізика. - 2008. - Т. 51. - № 5. - С. 60-70.

    10. Вол А.Є. Будова і властивості подвійних металевих систем. - М .: Гос. вид-во фіз.-мат. літ-ри, 1962. - Т. 2. - 984 с.

    11. Подвійні і багатокомпонентні системи на основі міді / Відп. ред. Н.Х. Абрикосов. - М .: Наука, 1979 г. - 248 с.

    12. Кубашевскі О. Діаграми стану подвійних систем на основі заліза. Довідкове видання. - М .: Металургія, 1985. -184 с.

    13. Банних О. А., Будберг П.Б., Алісова С. П. та ін. Діаграми стану подвійних і багатокомпонентних систем на основі заліза. - М .: Металургія, 1986. - 440 с.

    14. Діаграми стану подвійних металевих систем / під ред. Н.П. Лякишева. - М .: Машинобудування, 1996. - Т. 1. -992 c.

    15. Devyatkov V.N., Koval N.N., Schanin P.M., Grigoryev V.P., Koval T.V. Generation and propagation of high-current low-energy electron beams // Laser and Particle Beams. - 2003. - V. 21. -№ 2. - P. 243-248.

    16. Вострецова А.В., Ващук Е.С., Будовський Е.А., Іванов Ю.Ф., Громов В.Є. Вплив параметрів електронно-пучкової обробки на мікротвердість поверхні стали 45 після електропідривної меднения // Матеріалознавство і термічна обробка металів: Міжнар. зб. науч. тр. / Під ред. А.Н. Емелюшіна і Є.В. Петроченко. - Магнітогорськ: ГОУ ВПО «МГТУ», 2009. - С. 209-212.

    Надійшла 09.06.2010 р.


    Ключові слова: електропідривної легування / електронно-пучкова обробка / меднение / елементний і фазовий склад / дефектна субструктура / профіль мікротвердості / electroexplosive doping / electron beam treatment / copper plating / elemental and phase composition / defect substructure / microhardness profile

    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити