Сопротивление контактному и усталостному разрушению модифицированных ионами азота хромистых сталей

Сопротивление контактному и усталостному разрушению модифицированных ионами азота хромистых сталей

П.А. Витязь, А.В. Белый1, В.А. Кукареко, Ю.П. Шаркеев2

Институт механики и надежности машин НАН Беларуси, Минск, 220072, Беларусь 1 Физико-технический институт НАН Беларуси, Минск, 220141, Беларусь

2 Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Томск, 634021, Россия

В работе проведено исследование структуры и фазового состава ряда хромистых сталей, подвергнутых низкоэнергетической ионно-лучевой обработке азотом, а также изучено влияние параметров структурного состояния модифицированных слоев на их износостойкость и выносливость. Показано, что ионно-лучевое азотирование эффективно повышает износостойкость и циклическую долговечность модифицированных хромистых сталей.

Resistance to contact and fatigue fracture of modified chromium steels ion-implanted by nitrogen

P. A. Vityaz, A.V. Belyi, V.A. Kukareko, and Yu.P. Sharkeev

The structure and phase composition of chromium steels modified by low-energy ion-implantation by nitrogen has been examined. The influence of parameters of a structural state of modified layers on their wear resistance and endurance has been also investigated. It is shown that ion-beam nitration effectively improves the wear resistance and cyclic durability of modified chromium steels.

1. Введение

Для создания материалов с модифицированными поверхностными слоями, обладающих высоким сопротивлением разрушению, используются различные виды интенсивной обработки, основанные на применении лучевых и плазменных методов [1]. Формирующиеся при таком воздействии упрочненные слои и покрытия характеризуются градиентом структурных параметров и свойств по глубине слоя. Управляя процессами структу-рообразования при высокоэнергетическом воздействии, можно создавать градиентные слои с необходимым комплексом эксплуатационных характеристик [2]. Одним из наиболее эффективных методов модифицирования конструкционных материалов на железной основе является их обработка концентрированными пучками низкоэнергетических ионов азота [1]. Поскольку роль строения модифицированных слоев в формировании характеристик их износостойкости и выносливости подробно не изучена, то задачей данной работы являлось систематическое исследование структурного состояния, а также триботехнических свойств и циклической долговечности ряда модифицированных ионами азота хромистых сталей. В качестве материалов для исследований были выбраны типичные конструкционные и инструментальные стали, легированные хромом, — 40Х, 20X13, 40Х13 и 95Х18.

2. Методика эксперимента и объекты исследования

Исследования проводились на образцах, изготовленных из промышленных сталей 40Х, 20X13, 40X13 и 95X18, прошедших предварительную закалку по стандартным режимам. Ионно-лучевое азотирование образцов осуществлялось при энергии ионов 3 кэВ и плотности ионного тока 2 мА/см2 [1]. Флюенс ионного легирования составлял ~3 • 1019 см-2. Температура образцов в процессе ионно-лучевой обработки составляла 620, 670, 720 и 770 К. Исследование структуры материалов осуществлялось с использованием методов рентгеноструктурного анализа и оптической микроскопии. Испытания триботехнических свойств проводились на трибометре АТВП [3] в условиях трения без смазки при давлении 1.5 МПа. Размер плоской рабочей поверхности для образцов стали 40Х составлял 5x8 мм2, а для высокохромистых сталей — 6x10 мм2. Поскольку площадь поверхности трения у образцов стали 40Х была в 1.5 раз меньше площади образцов высокохромистых сталей, то при расчете интенсивности весового изнашивания I для образцов стали 40Х проводилось нормирование величины I , путем ее умножения на коэффициент 1.5. Измерения микротвердости проводились при нагрузке на индентор (пирамидка Виккерса) 0.2 Н. Испытания на циклическую долговечность стали 40Х13 осуществлялись по схеме симметричного поперечного

© Витязь П.А., Белый А.В., Кукареко В.А., Шаркеев Ю.П., 2004

изгиба консольно закрепленных пластинчатых образцов с размерами рабочей части 15x55Х2.2 мм3. Амплитуда циклических деформаций составляла 0.32-0.59 %, что соответствовало напряжениям 600-1 100 МПа.

3. Результаты и их обсуждение

3.1. Микротвердость и фазовый состав

Установлено, что ионно-лучевая обработка ионами азота при различных температурах приводит к легированию поверхностных слоев сталей на глубину до 3080 мкм и вызывает появление в них сжимающих напряжений. Микротвердость низколегированной стали 40Х в результате имплантации увеличивается до 1000011000 МПа, а высоколегированных хромистых сталей — до 17 000-18 000 МПа (табл. 1). Модифицирование стали 40Х низкоэнергетическими ионами азота при 620-770 К приводит к выделению в поверхностных слоях У'- и е-нитридных фаз. При повышенных температурах ионно-лучевого азотирования (770 К) в модифицированных слоях стали 40Х преимущественно образуется низкоазотистая фаза / ^е4К (табл. 1). В высокохромистых сталях после обработки при 620-720 К в слое регистрируются у7-, Е- и а"-нитриды [4], а после

Таблица 1

Микротвердость #0.19, фазовый состав и глубина модифицированного слоя для хромистых сталей, обработанных ионами азота

Сталь, предвари- тельная обработка Режим имплантации № Глубина слоя, мкм Н0.19, МПа Основные фазы

40Х Исходный - 6700 а-Бе, Бе3С

закалка 620 10* 8750 (в следовых количествах) £, у', а-Бе

670 * 0 9600 £, у', а-Бе

720 * 0 т 11000 £, у', а-Бе

770 * т 9700 у', а-Бе

20Х13 Исходный - 5500 а-Бе

закалка 620 0 -1 13000 є, а", ^

670 7 -1 17500 є, у', а", ^

720 30-32 16000 у', а", СгЫ,

770 35-40 11500 СгЫ, а-Бе

40X13 Исходный - 6500 а-Бе, Сг23С6

закалка 620 5-10 11500 (в следовых количествах) є, а", ^

670 12-15 17000 е, у', а", аы

720 25-30 17000 у', а", СгЫ,

770 30-40 12000 СгЫ, а-Бе

95Х18 Исходный - 8000 а-Бе, у, Сг7С3, Сг23С6

закалка 620 5-7 12000 е, а", у№

670 12-15 18000 е, у', а", ^

720 25-30 17000 у', а", СгЫ,

770 30-35 13000 СгЫ, а-Бе

* В связи с плохой травимостью азотированного слоя в стали 40Х определялась его эффективная глубина по толщине слоя, имеющего микротвердость > 6000 МПа

обработки при 770 К преимущественно выделяется нитрид хрома СгК. В работе с использованием метода количественного рентгенофазового анализа проведена оценка объемной доли и размера частиц нитридной фазы СгК, содержащейся в поверхностном слое имплантированных при 770К высокохромистых сталей. Установлено, что в имплантированных азотом закаленных сталях 20Х13, 40Х13 и 95Х18 объемная доля частиц СгК составляет 17-26 %, а их размер равен 10-20 нм (табл. 2). При анализе рентгеновских дифракционных картин от модифицированных слоев обнаружено различие в периодах кристаллической решетки нитрида СгК в изолированном и неизолированном от матрицы состояниях. В частности, значение параметра кристаллической решетки неизолированной из матрицы фазы СгК составляет 0.4132 нм. После электролитического экстрагирования частиц СгК из матрицы значение параметра кристаллической решетки частиц изолированной фазы возрастает до 0.4142 нм, соответствующего стандартному значению параметра решетки СгК. Указанная трансформация структурного состояния нитридной фазы связана с упругими деформациями ее частиц вследствие различия удельных атомных объемов фазы СгК и матричной а-фазы [5]. Проведенный в работе расчет по методу, предложенному в работе [5], позволил оценить значение фактора объемного несоответствия (Ау/у) для случая упругого выделения частиц СгК в матричной фазе имплантированных азотом хромистых сталей. Он оказался равным 0.027.

3.2. Износостойкость

Сравнительные триботехнические испытания модифицированной азотом низколегированной стали 40Х в условиях трения без смазки показали, что ионная обработка при 670-720 К приводит к увеличению износостойкости стали в ~2 раза по сравнению с исходным состоянием (рис. 1). Коэффициент трения при этом достигает уровня 0.8-0.85. Увеличение температуры ионной обработки до 770 К заметно снижает износостойкость микролегированных азотом слоев и уменьшает регистрируемые значения коэффициента трения до 0.7. Таким образом, максимальная износостойкость в условиях адгезионного изнашивания модифицированной стали 40Х достигается в случае выделения в ее поверхностных слоях высокоазотистого нитрида е- Fe2_зN. Выделение в модифицированном слое частиц фазы у7 -

Таблица 2

Параметры структурного состояния имплантированных ионами азота при 770 К высокохромистых сталей

Сталь Эффективный размер частиц ОЫ, нм Объемная доля частиц фазы Фактор Ду/у

20X13 10.0 0.17 0.027

40X13 13.0 0.18 0.027

95X18 20.0 0.26 0.027

: гм

0.8

Исх. 650 700 750 800

Температура ионной имплантации, К

Рис. 1. Зависимости интенсивности весового изнашивания хромистых сталей от режима их обработки, испытание на трение без смазки, давление 1.5 МПа)

Fe4N сопровождается снижением сопротивления контактному разрушению модифицированного слоя. Проведенные с помощью рентгеноструктурного анализа сравнительные исследования послойного распределения содержания частиц у/- Ре^ в модифицированной при 770К закаленной стали 40Х до и после триботехнических испытаний показали, что в поверхностях трения регистрируется существенно пониженная концентрация низкоазотистого у'-нитрида (рис. 2). На основании результатов рентгеновских исследований, а также данных о низкой термической стойкости фазы у' -Ре^ [6], сделано заключение, что в процессе адгезионного взаимодействия при трении без смазки модифицированной азотом стали 40Х в ее поверхностном слое в местах тепловых вспышек происходит диссоциация частиц термодинамически нестабильной у/-фазы, приводящая к разупрочнению слоя, локализации в нем деформации и снижению его износостойкости.

При анализе полученных данных по величине значений интенсивности изнашивания I высокохромистых сталей в условиях трения без смазки (рис. 1) можно видеть, что для стали 95Х18 характерна наиболее высокая износостойкость как в исходном неимплантированном состоянии, так и в состоянии после ионной обработки по всем режимам. Высокая износостойкость закаленной стали 95Х18 обусловлена сравнительно повышенным содержанием в ней атомов углерода и хрома, обеспечивающим высокую твердость мартенсита и приводящим к выделению в стали карбидов хрома. Кроме того, важным фактором является присутствие в стали в значительных количествах остаточного аустенита (до 20 об. %). При этом высокая пластичность остаточного аустенита способствует поглощению энергии фрикционного взаимодействия, а образующиеся при трении из аустенита участки мартенсита деформации находятся в состоянии всестороннего сжатия вследствие различия удельных атомных объемов у- и а-фаз. Можно полагать, что возникающие при этом напряжения сжатия в поверхностных слоях, наряду с повышенными механическими свойствами мартенсита деформации, замедляют кинетику зарождения микротрещин, а сохранившийся в недеформированных подповерхностных слоях аусте-нит препятствует их быстрому распространению.

0.4

: го

; Яг ! &

0.0

\ Л /1

2-

__ 0.1 1 10 100 О ^ Глубина слоя И, мкм

Рис. 2. Зависимость относительной интенсивности дифракционной линии (200) фазы Y/-Fe4N от глубины h модифицированного азотом слоя стали 40Х (имплантация № при 770 К): 1 — поверхность после электрополировки; 2 — поверхность после испытания на трение без смазки, давление 1.5 МПа

Ионная имплантация азотом высокохромистых сталей сопровождается весьма существенным возрастанием износостойкости их поверхностных слоев (рис. 1). При этом в отличие от низколегированной стали 40Х, наиболее высокие триботехнические свойства в высокохромистых сталях демонстрируют слои, модифицированные азотом при 770 К и содержащие частицы Сг№ В частности, ионная обработка сталей 20Х13 и 40Х13 при 770К приводит к увеличению их износостойкости в ~ 10 раз, а стали 95Х18 — в 5-6 раз. Значения коэффициента трения при этом составляют 0.9-1.0. Данные структурных исследований свидетельствуют о том, что в результате обработки при 770 К структурное состояние модифицированных высокохромистых сталей в значительной степени нивелируется, что сопровождается сближением значений микротвердости их поверхностных слоев (табл. 1). При этом модифицированный азотом при 770 К слой фактически представляет из себя дисперсионно-упрочненный материал — матрицу на основе а^е, упрочненную частицами Сг№ Вместе с тем значения I для модифицированных сталей 20Х13, 40Х13 и 95Х18 заметно различаются и составляют соответственно 0.9, 0.8 и 0.4 мкг/м. При сопоставлении данных по износостойкости модифицированных сталей с результатами определения объемной доли присутствующих в азотированных слоях частиц можно видеть, что в модифицированном слое стали 95Х18 содержание частиц существенно повышено по сравнению со сталями 20Х13 и 40Х13.

Таким образом, можно полагать, что именно выделение больших количеств частиц и обуславливает повышенное сопротивление изнашиванию модифицированного слоя в стали 95Х18 (рис. 3). Выделяющиеся в модифицированных слоях высокохромистых сталей частицы нитридов имеют высокую твердость, модуль упругости и отличаются высокой химической и термической стойкостью [6]. В результате, в отличие от термодинамически нестабильных частиц фазы у'- Ре4^ высокопрочные и термостабильные частицы фазы внедрения в процессе адгезионного взаимодействия при

трении не перерезаются дислокациями, блокируют пластические сдвиги в модифицированных слоях и пре-

1100

‘1000

16 20 24 28

Объемная доля частиц Сг1Ч, %

Рис. 3. Зависимость интенсивности весового изнашивания модифицированных ионами азота высокохромистых сталей от объемной доли содержащихся в них частиц Сг^ испытание на трение без смазки; давление 1.5 МПа

пятствуют процессам локализации деформации в них. Вследствие этого существенно замедляется кинетика зарождения и распространения микротрещин, а следовательно, возрастает износостойкость слоя. Энергия фрикционного взаимодействия при трении модифицированных слоев высокохромистых сталей расходуется не на пластическое деформирование тонких поверхностных слоев, а на их разогрев. При этом интенсивное тепловыделение в условиях сухого трения скольжения индуцирует образование на поверхности контртела слоя относительно мягкого окисла а-Ре203, уменьшающего износ и понижающего коэффициент трения исследованных фрикционных пар. Присутствие в продуктах изнашивания высокодисперсных нитридных частиц и окисла а-Ре203 приводит к зеркальному выглаживанию поверхностей трения [4].

3.3. Циклическая долговечность

Для оценки выносливости модифицированных ионами азота материалов проведены испытания на циклическую долговечность образцов стали 40X13, прошедшей ионную обработку при 670 и 770 К. Значения напряжений в поверхностном слое стали 40X13, определенные методами рентгеновской тензометрии, составляли: -780 МПа для температуры имплантации, равной 670 К и -440 МПа — для 770 К. Высокий уровень сжимающих напряжений, действующих в модифицированном ионами азота поверхностном слое после обработки при 670 К, обусловлен большой концентрацией азота в матричной а-фазе. Кривые усталости имплантированной азотом по разным режимам стали 40X13 приведены на рис. 4. Можно видеть, что ионнолучевая обработка высокохромистой стали приводит к увеличению ее предела выносливости на =20% и циклической долговечности в области многоцикловой усталости в 2-3 раза. В области высоких амплитуд циклических напряжений имплантация ионов азота практически не оказывает влияния на сопротивление усталости стали. Из полученных данных следует, что наибольшая выносливость стали достигается в результате ионной обработки при 650-670 К, обеспечивающей относительно более высокий уровень напряжений сжатия по-

Н

Л

п

О

Ф

X

Ф

*

а:

900

800

700

ЧА

2

К ач. і\^ \\д 3 “

104

107

О4 105 106

Долговечность, циклы

Рис. 4. Циклическая долговечность стали 40X13: 1 — исходное состояние (закалка); 2 — температура имплантации 670 К; 3 —температура имплантации 770К

верхностного слоя и повышенную концентрацию растворенного в матричной фазе азота.

При анализе причин увеличения многоцикловой усталости модифицированной низкоэнергетическими ионами азота стали необходимо принимать во внимание, что в области малык амплитуд переменных напряжений циклическая долговечность в значительной степени определяется кинетикой зарождения усталостных микротрещин. Формирование модифицированного поверхностного слоя, находящегося в состоянии сжатия и обладающего высокими прочностными характеристиками, блокирует процессы зарождения и перемещения дислокаций, а следовательно, и образование усталостных микротрещин на поверхности стали при относительно низких амплитудах деформации испытаний. Увеличение амплитуды циклических деформаций сопровождается нарастанием интенсивности пластических сдвигов в подповерхностных слоях и способствует образованию в них микротрещин, которые преодолевают упрочненный поверхностный слой и формируют магистральную трещину разрушения.

Работа выполнена в рамках совместного проекта БРФФИ-РФФИ № Т02Р-086.

Литература

1. Белый А.В., Кукареко В.А., Лободаева О.В., Таран И.И., Ших С.К. Ионно-лучевая обработка металлов, сплавов и керамических материалов. - Минск: ФТИ, 1998. - 220 с.

2. Панин В.Е., Витязь П.А. Физическая мезомеханика разрушения и

износа на поверхностях трения твердыгс тел // Физ. мезомех. -2002. - Т. 5. - № 1. - С. 5-15.

3. Караваев М.Г., Кукареко В.А. Автоматизированный трибометр с возвратно-поступательным движением // Сб. мат. Межд. научно-технич. конф. “Надежность машин и технических систем”. -Минск: ИНДМАШ НАНБ, 2001. . - Т. 1. - С. 37-39.

4. БелыйА.В., Кукареко В.А., Бояренко И.В. Триботехнические харак-

теристики мартенситныгс коррозионно-стойких сталей, подвергнутый ионно-лучевой обработке азотом // Трение и износ. - 1999. -Т. 20. - № 4. - С. 378-387.

5. Гитгарц М.И. Упругие напряжения и деформации в выделении и матрице при распаде твердого раствора сплава ЭИ 437А // Физика металлов и металловедение. - 1966. - Т. 22. - № 2. - С. 220-226.

6. Самсонов Г.В. Нитриды. - Киев: Навукова думка, 1969. - 380 с.