Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования, 2022, № 5, стр. 108-112
Структура и свойства поверхности стали 45 после электровзрывного боромеднения и электронно-пучковой обработки
Е. С. Ващук a, *, Е. А. Будовских b, К. В. Аксёнова b, Л. П. Бащенко b, В. Е. Громов b, **
a Кузбасский государственный технический университет им. Т.Ф. Горбачева
653039 Прокопьевск, Россия
b Сибирский государственный индустриальный университет
654007 Новокузнецк, Россия
* E-mail: vashuk2012@bk.ru
** E-mail: gromov@physics.sibsiu.ru
Поступила в редакцию 12.02.2021
После доработки 25.05.2021
Принята к публикации 28.05.2021
- EDN: BNGTJP
- DOI: 10.31857/S1028096022010198
Аннотация
Исследованы закономерности формирования рельефа поверхности, распределения элементного и фазового составов по глубине, повышения микротвердости поверхности стали 45 в зависимости от параметров электровзрывного боромеднения и последующей электронно-пучковой обработки. Показано, что строение зоны электровзрывного легирования толщиной до 25 мкм по глубине включает в себя покрытие, приповерхностный, промежуточный и приграничный слои. С ростом поглощаемой плотности мощности и массы порошка бора происходит увеличение шероховатости поверхности зоны электровзрывного боромеднения и микротвердости до 1400 HV. Последующая обработка импульсным электронным пучком приводит к объединению покрытия с приповерхностным слоем, увеличению глубины зоны упрочнения до 80 мкм и уменьшению шероховатости и микротвердости поверхности до 800 HV. Улучшение физико-механических свойств зоны легирования обусловлено формированием субмикро- и нанокристаллических закалочных структур, содержащих упрочняющие фазы.
ВВЕДЕНИЕ
Настоящая работа выполнена в рамках общего направления развития научных исследований и практических разработок по решению актуальной проблемы упрочнения металлов и сплавов с использованием находящих все более широкое применение в промышленности концентрированных потоков энергии. Одним из новых методов упрочнения является электровзрывное легирование (ЭВЛ), заключающееся в модификации структуры и свойств металлов и сплавов путем формирования при электрическом взрыве проводников многофазной плазменной струи, оплавлении ею упрочняемой поверхности и насыщении расплава продуктами взрыва с последующей самозакалкой. Результаты ЭВЛ определяются совместным влиянием на упрочняемую поверхность теплового, силового и химического факторов обработки. Источником легирующих элементов при ЭВЛ является многофазная струя продуктов взрыва, а также порошковые частицы различных веществ, вводимые в область взрыва. Возможность осуществления электровзрывного боромеднения технически чистого железа показана в работе [1].
Дополнительное улучшение свойств поверхности после ЭВЛ возможно при последующей электронно-пучковой обработке (ЭПО), вызывающей импульсно-периодическое переплавление поверхности легирования. Вместе с тем процессы формирования структуры и свойств поверхностных слоев металлов и сплавов при ЭВЛ и последующей ЭПО изучены недостаточно.
Сталь 45 широко используется в промышленности в качестве конструкционного сплава [2, 3]. В литературе имеются сведения о поверхностном упрочнении этой стали с использованием концентрированных потоков энергии [4–10], в частности, как при электровзрывном меднении, так и ЭПО [11].
Выбор двухкомпонентного электровзрывного боромеднения обусловлен тем, что борированные слои обладают не только высокой твердостью, износо- и коррозионной стойкостью поверхности [4, 11], но и хрупкостью, которая может быть уменьшена при использовании боромеднения [12, 13].
Целью работы является выявление закономерностей формирования рельефа поверхности, распределения элементного и фазового составов по глубине, повышения микротвердости поверхности стали 45 в зависимости от параметров комбинированной обработки, включающей электровзрывное боромеднение и последующее облучение электронным пучком.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Образцы конструкционной углеродистой стали 45 для последующей комбинированной обработки в виде цилиндрических шайб высотой 3–5 мм вырезали из прутка диаметром 20 мм, который был отожжен при температуре 850°С в течение 1.5 ч и охлажден вместе с печью. В результате данной термообработки в материале была сформирована структура, представленная зернами структурно-свободного феррита и колониями пластинчатого перлита.
Электровзрывное боромеднение проводили на лабораторной установке ЭВУ 60/10. Электровзрывная обработка позволяет сконцентрировать за короткий промежуток времени (10–4 с) высокую плотность мощности (~1 ГВт/м2) в тонких (~10 мкм) поверхностных слоях материалов и дает возможность провести оплавление и легирование поверхностных слоев без выплеска расплава, развивающегося вследствие неоднородного давления (~10 МПа) плазменной струи на облучаемую поверхность. В качестве взрываемого проводника использовали медную фольгу, закрепляемую на электродах плазменного ускорителя коаксиально-торцевого типа. В область взрыва вводили порошковую навеску аморфного бора. Режимы обработки обеспечивали поглощаемую плотность мощности qp, равную 5.5, 6.5, 7.5 и 8.6 ГВт/м2. Взрываемые медные фольги имели толщину 20 мкм и массу, равную 35, 70 и 100 мг. В области взрыва размещали порошок аморфного бора массой 20 и 60 мг. Анализ поверхностных слоев после электровзрывного боромеднения проводили в случае, когда отношение n атомных концентраций бора и меди в струе было равно следующим значениям: 1.2, 1.6, 3.4 и 3.5.
Последующую ЭПО поверхности легирования осуществляли на установке “СОЛО” Института сильноточной электроники СО РАН при следующих основных параметрах: поглощаемая плотность мощности qe = 2.0, 2.5 и 3.0 ГВт/м2, длительность импульсов τ = 100 и 200 мкс, частота их следования f = 0.3 Гц, число импульсов N = 5 и 10 имп. Обработку осуществляли в среде аргона рабочей камеры при давлении 0.02 Па. ЭВЛ и ЭПО имеют сопоставимые значения поглощаемой плотности мощности, глубины и диаметра зоны воздействия на облучаемую поверхность.
Исследования структуры упрочненных слоев проводили с использованием методов световой (Olympus GX 51) и растровой электронной (CarlZeiss EVO50) микроскопии (РЭМ), рентгеноспектрального микроанализа, оптической интерферометрии (ZygoNewView TM 7300), рентгеноструктурного анализа (ДРОН-2,0, ARL X’TRA). Упрочнение поверхности оценивали по уровню микротвердости (HVS-1000A).
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Исследования методами микроскопии и оптической интерферометрии показали, что на поверхности зоны ЭВЛ в стали марки 45 формируется покрытие с высокоразвитым рельефом. Оно образовано частицами продуктов взрыва медной фольги и порошка бора из тыла струи, которые конденсируются на поверхности. В структуре рельефа выделяются следы радиального течения расплава из центра зоны легирования к периферии, обусловленного неоднородным силовым воздействием плазменной струи на поверхность, приводящим к конвективному перемешиванию расплава. При увеличении поглощаемой плотности мощности радиальное течение становится более выраженным. Увеличение массы порошка бора в три раза приводит к увеличению параметра шероховатости Ra от 2.5 до 6.4 мкм.
Последующая ЭПО при всех режимах сопровождается плавлением поверхности и объединением покрытия с нижележащей зоной легирования. При этом параметр шероховатости Ra уменьшается от 5.6 до 2.5 мкм, следы радиального течения исчезают, наблюдается образование кратеров. Увеличение поглощаемой плотности мощности и времени импульсов ЭПО приводит к уменьшению параметра шероховатости Ra и глубины кратеров, увеличению их диаметра d. При увеличении числа импульсов ЭПО значения Ra и d увеличиваются.
После ЭПО поверхность зоны ЭВЛ имеет дендритную структуру кристаллизации. Исследования при большом увеличении показали, что при N = 10 имп., qе = 2.0 и 2.5 ГВт/м2 и τ = 100 и 200 мкс количество зерен с дендритной кристаллизацией заметно больше, чем с ячеистой кристаллизацией, а при qе = 3.0 ГВт/м2 формируется только структура дендритной кристаллизации (рис. 1). С ростом qе и τ среднее расстояние λ1 между ячейками и осями первого порядка дендритов и средний диаметр зерен D увеличиваются в 1.5–2.0 раза.
Микроскопический анализ структуры зоны легирования на прямых и косых шлифах позволяет выделить по ее глубине четыре слоя с измененной структурой. Это поверхностный слой толщиной несколько микрометров, обусловленный осаждением на поверхности обработки конденсированных частиц плазменной струи, а также приповерхностный и промежуточный слои (рис. 2а).
От основы зона ЭВЛ толщиной до 25 мкм отделена зоной термического влияния, условную границу которой определяли по колониям осветленного перлита. В промежуточном слое вблизи границы зоны ЭВЛ с основой формируется подслой толщиной несколько микрометров с волнистыми границами. Его происхождение можно связать с радиальным течением расплава вдоль поверхности.
Легирующие элементы в объеме зоны ЭВЛ распределяются неоднородно (рис. 2а), что свидетельствует о незавершенности перемешивания расплава после внесения в него частиц меди и бора и обусловлено импульсным характером ЭВЛ. ЭПО приводит к дополнительному перераспределению бора и меди (рис. 2б). При этом в приповерхностном и промежуточном слоях зоны легирования формируется зеренная структура (рис. 2в). В приповерхностном слое зоны ЭВЛ наблюдаются многочисленные частицы упрочняющих фаз субмикронного диапазона. После ЭПО с увеличением общего времени нахождения поверхностного слоя в жидком состоянии размеры частиц упрочняющих фаз увеличиваются так же, как и игл мартенсита в глубине.
Рентгеноструктурный анализ показал, что в результате электровзрывного боромеднения на поверхности стали сформировалась смесь, состоящая из α-Fe, Cu и упрочняющих фаз FeB, Fe23(С, B)6. С увеличением поглощаемой плотности мощности qp наблюдается уменьшение содержания α-Fe и увеличение содержания γ-Fe и Cu, что свидетельствует об увеличении степени легирования расплава медью. Влияние ЭПО сводится к растворению боридов в слое, уменьшению содержания аустенита, перераспределению меди и увеличению содержания α-Fe. В частности, с ростом поглощаемой плотности мощности qe содержание α-фазы и метастабильной фазы Fe23(C, B)6 увеличивается, а при увеличении длительности импульсов исчезают пики γ-Fe и Fe23(C, B)6. Согласно металлографическим исследованиям, это является следствием увеличения глубины зоны легирования и перераспределения легирующих элементов по ее объему.
Распределение микротвердости по глубине зоны электровзрывного боромеднения является монотонно падающим (рис. 3). При этом максимальная микротвердость наблюдается в тонком поверхностном слое. В приповерхностном слое на глубине до 15–20 мкм градиент микротвердости маленький, и с учетом ошибок измерений можно говорить об усредненном значении микротвердости в этом слое. В промежуточном слое микротвердость быстро падает до ее значения в объеме стали на уровне 200 HV.
С ростом qp от 6.5 до 8.5 ГВт/м2 при ЭВЛ микротвердость поверхности линейно увеличивается от 4.5 до 6.0 и от 5.4 до 7.2 раза при n = 1.6 и 3.5 соответственно (рис. 4а). Влияние на микротвердость поглощаемой плотности мощности тем более сильное, чем выше концентрация бора в плазменной струе. Поведение микротвердости в приповерхностном слое отличается от ее поведения на поверхности тем, что при низком содержании бора зависимость микротвердости от поглощаемой плотности не проявляется. С ростом поглощаемой плотности мощности глубина зоны легирования и толщина приповерхностного слоя с высоким уровнем упрочнения с ростом концентрации бора в плазменной струе увеличиваются в 1.5 и 2.0 раза соответственно (рис. 4б). При последующей ЭПО глубина упрочнения возрастает более чем в три раза (до 80 мкм), при этом микротвердость уменьшается, оставаясь на высоком уровне. Максимальная микротвердость на поверхности и в приповерхностном слое после обработки составляет 1000 и 800 HV при времени импульсов 100 и 200 мкс соответственно.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Установлено увеличение шероховатости поверхности зоны электровзрывного боромеднения стали марки 45 с ростом поглощаемой плотности мощности и массы порошка бора. Последующая ЭПО приводит к уменьшению шероховатости и появлению на поверхности кратеров вместо следов радиального течения.
Строение зоны ЭВЛ, общая толщина которой достигает 25 мкм, по глубине включает в себя покрытие, приповерхностный, промежуточный и приграничный слои. Последующая ЭПО приводит к объединению покрытия с приповерхностным слоем и увеличению глубины зоны упрочнения до 80 мкм. При этом вблизи поверхности формируется структура ячеистой или дендритной кристаллизации, в глубине – зеренная структура.
Установлено неоднородное распределение легирующих элементов по объему зоны легирования и выравнивание его при последующей ЭПО. Увеличение поглощаемой плотности мощности и общего времени воздействия ЭПО приводит к росту междендритного расстояния, диаметра зерен и размеров мартенситных игл в глубине.
Микротвердость поверхности после ЭВЛ увеличивается с ростом поглощаемой плотности мощности и концентрации бора и достигает 1400 HV. При последующей ЭПО уровень микротвердости уменьшается до 800 HV. Улучшение физико-механических свойств зоны легирования обусловлено формированием закалочных структур, включающих субмикрокристаллические упрочняющие фазы боридов FeB, Fe2B, FeB2, карбоборида Fe23(C, B)6 и карбида B4C.
Список литературы
Цвиркун О.А., Будовских Е.А., Багаутдинов А.Я., Иванов Ю.Ф., Громов В.Е. // Известия вузов. Черная металлургия. 2007. № 6. С. 40.
Зубченко А.С., Колосков М.М., Каширский Ю.В. и др. Марочник сталей и сплавов. М.: Машиностроение, 2003. 784 с.
Приданцев М.В., Давыдова Л.И., Тамарина И.А. Конструкционные стали (справочник). М.: Металлургия, 1980. 288 с.
Григорьянц А.Г., Шиганов И.Н., Мисюров А.И. Технические процессы лазерной обработки. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006. 664 с.
Крукович М.Г., Прусаков Б.А., Сизов И.Г. Пластичность борированных слоев. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2010. 384 с.
Марусин М.В., Щукин В.Г., Марусин В.В. // ФиХОМ. 2010. № 5. С. 67.
Марусин М.В., Щукин В.Г., Филимоненко В.Н., Марусин В.В. // Физика и химия обработки материалов. 2003. № 4. С. 54.
Астапова Е.С., Борилко А.С., Глабец Т.В. // Вестник Амурского государственного университета. Серия: Естественные и экономические науки. 2012. № 59. С. 37.
Фельдштейн Е.Э., Кардаполова М.А., Гайда Р., Хородыски Б., Кавальчук О.В. // Трение и износ. 2013. Т. 34. № 2. С. 175.
Григорьянц А.Г., Смирнова Н.А. // Технология машиностроения. 2011. № 11. С. 52.
Иванов Ю.Ф., Колубаева Ю.А., Коновалов С.В., Коваль Н.Н., Громов В.Е. // Металловедение и термическая обработка металлов. 2008. № 12(642). С. 10.
Бурнышев И.Н., Валиахметова О.М., Мутагарова C.А. К вопросу борирования сталей // Вестник ИжГТУ. 2007. № 4. С. 124.
Баландин Ю.А. // Металловедение и термическая обработка металлов. 2005. № 3. С. 27.
Дополнительные материалы отсутствуют.
Инструменты
Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования