Исследование износостойкости стали, упрочненной высокоэнергетическими воздействиями

Исследование износостойкости стали, упрочненной высокоэнергетическими воздействиями

Ж.Г. Ковалевская, В.А. Клименов1, И.М. Гончаренко2, Н.Н. Коваль2,

А.И. Толмачев, В.А. Доломанова3

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

1 Юргинский технологический институт при ТПУ, Юрта, 652000, Россия

2 Институт сильноточной электроники СО РАН, Томск, 634055, Россия 3 Томский политехнический университет, Томск, 634050, Россия

В работе исследовано влияние ультразвукового модифицирования на структуру и свойства азотированных слоев, полученных в плазме дугового разряда низкого давления. Фрактографический и рентгеноструктурный анализ, а также анализ механических и триботехнических свойств показал, что ультразвуковое модифицирование стали 40X13 изменяет фазовый состав, увеличивает глубину, микротвердость и износостойкость азотированного слоя.

Investigation of wear resistance of steel strengthened by high-energy actions

Zh.G. Kovalevskaya, V.A. Klimenov1, I.M. Goncharenko2, N.N. Koval2,

A.I. Tolmachev, and V.A. Dolomanova3

Institute of Strength Physics and Materials Science SB RAS, Tomsk, 634021, Russia 1 Yurga Institute of Technology associated with Tomsk Polytechnic University, Yurga, 652000, Russia

2 Institute of High Current Electronics SB RAS, Tomsk, 634055, Russia

3 Tomsk Polytechnic University, Tomsk, 634050, Russia

The paper studies the influence of ultrasonic modification on the structure and properties of nitrated layers produced in low-pressure arc discharge plasma. Fractographic and X-ray analysis as well as analysis of mechanical and tribotechnical properties have shown that ultrasonic modification of steel 40Cr13 changes the phase composition and increases the depth, microhardness and wear resistance of the nitrided layer.

1. Введение

Азотирование является эффективным, но малопро-

изводительным процессом поверхностного упрочнения стали. Большая длительность технологического цикла определяется относительно низкой диффузионной подвижностью атомов азота в субкритической области температур. Интенсификацию процесса азотирования можно обеспечить, используя метод обработки поверхности стали ультразвуковым выглаживающим инструментом с последующим азотированием в плазме дугового разряда низкого давления. Ультразвуковая обработка обеспечивает формирование в тонком поверхностном слое модифицированной структуры, а азотирование в

плазме дугового разряда низкого давления позволяет увеличивать энергию ионов, воздействующих на обрабатываемую поверхность. В результате значительно ускоряется процесс диффузионного насыщения поверхностных слоев стали ионами азота [1-3].

Цель настоящей работы — исследовать характер изнашивания упрочненных слоев стали 40X13 и оценить вклад в получаемые триботехнические свойства вышеописанных особенностей метода азотирования.

2. Материал и методика исследования

В качестве материала исследования использована высоколегированная сталь 40X13 (~0.4 % С; 13 % Сг).

© Ковалевская Ж.Г., Клименов B.A., Гончаренко И.М., Коваль H.H., Толмачев A.K, Доломанова B.A., 2006

Исходную структуру, мартенсит отпуска, формировали закалкой в масло от 1050 °С с последующим отпуском при 600 °С в течение 2 ч. Полученные образцы имели форму цилиндров диаметром 30 мм и высотой 10 мм. Модифицированию и азотированию подвергалась торцевая сторона образцов.

Ультразвуковое модифицирование части образцов проводилось в Институте физики прочности и материаловедения СО РАН. Для этого использовался технологический комплект УЗГК-02, состоящий из ультразвукового генератора УЗГ-02/22 и инструмента — магнито-стрикционного преобразователя. Главные технические характеристики комплекта: потребляемая мощность — 220 Вт, частота — 50 Гц, амплитуда колебания — 5...10 мкм.

Азотирование образцов проводилось на модернизированной вакуумной ионно-плазменной технологической установке, разработанной в Институте сильноточной электроники СО РАН. Азотирование проводили в атмосфере технически чистого азота при температуре 500 °С в течение 40 мин в плазме дугового разряда с накаленным катодом со следующими параметрами: p = = 0.9 Па, ток разряда I = 10 А, напряжение горения разряда U = 40 В и напряжение смещения на образцах U см = -600 В.

Исследование структуры полученных упрочненных слоев проводилось методами сканирующей электронной микроскопии (Philips SEM-515) и рентгеноструктурного анализа (рентгеновский дифрактометр Shimadzu XRD 6000 и ДР0Н-2.0). Упрочнение поверхности оценивалось по значению микротвердости (микротвердомер ПМТ-3). Трибологические исследования проводились на комплексе PC-Controlled High Temperature Tribometer TH-S-HX000 в режиме трения без смазочного материала по схеме «шарик-индентор - вращающийся диск». Показания снимались при фиксированной скорости вращения образцов V = 10 см/с с нагрузкой на индентор Р = 10 Н и длиной пути скольжения S = 95 м. Индентор имел диаметр 3 мм и был изготовлен

из твердого сплава (твердость более 1 500 HV). Износ оценивался по потере веса образца после изнашивания и по площади поперечного сечения трека после износа (оптический ЗD-профилометр MICROMEASURE 3D station).

3. Результаты исследования и их обсуждение

Ультразвуковая обработка поверхности исследуемой стали приводит к формированию модифицированного слоя. Как показали результаты исследования фракто-граммы излома, проведенного методом сканирующей электронной микроскопии, на поверхности стали наблюдается текстурированный слой глубиной около 10мкм, сформировавшийся в процессе интенсивной пластической деформации (рис. 1). На глубине, превышающей зону пластической деформации, наблюдается вязкий излом с характерным ямочным рельефом.

Методами рентгеноструктурного анализа в данном слое не обнаружено изменений в фазовом составе: основной фазой является a-Fe, вторая фаза представлена частицами карбидов Cr23C6. Однако после ультразвукового модифицирования возрастает параметр кристаллической решетки a-фазы от а = 0.2871 нм до а = = 0.2875 нм и уменьшается интенсивность рефлексов карбида Cr23C6, что свидетельствует о частичном растворении карбида Cr23C6, переходе атомов углерода и хрома в кристаллическую решетку a-Fe. Кроме того, уширение основных рентгеновских линий a-Fe указывает на увеличение плотности дислокаций и фрагментацию микроструктуры. Те же структурные превращения поверхностного слоя обнаружены при проведении электронно-микроскопического анализа [4].

Ультразвуковое модифицирование поверхностного слоя приводит к его упрочнению. Значение микротвердости возрастает с 3650 до 4300 МПа (рис. 2). Стоит отметить, что глубина упрочненной зоны превышает глубину пластически деформированного слоя и составляет около 20 мкм. На основе ранее проведенных исследований можно предположить, что повышение значения

Pra. 1. Фрактограмма излома стали 40X13 с ультразвуковой поверхностной обработкой

Рис. 2. Среднее значение микротвердости на поверхности стали 40X13: в исходном состоянии

Рис. 3. Фрактограмма излома стали 40X13 после азотирования в плазме дугового разряда низкого давления: в исходном состоянии

микротвердости в подповерхностном слое, не испытывавшем интенсивной пластической деформации, обусловлено формированием в этой зоне сжимающих напряжений, создающих на границе между деформированным слоем и основным металлом плавный градиент свойств [5].

Как повлияло предварительное ультразвуковое модифицирование на формирование азотированного слоя, полученного в плазме дугового разряда низкого давления, определено сопоставлением результатов фракто-графических исследований и рентгеноструктурного анализа.

Как видно по характеру разрушения на изломе образца, после азотирования на поверхности стали формируется многослойная структура, которую можно идентифицировать следующим образом (рис. 3, а).

На поверхности формируется тонкий нитридный слой толщиной менее 1 мкм, отделенный от основного металла четкой границей. Далее наблюдается слой, идентифицированный как зона внутреннего азотирования, имеющий хрупкий излом и плавно переходящий в основной металл с ямочным характером излома. Глубина этого слоя составляет около 10 мкм.

На образцах с предварительным ультразвуковым модифицированием наблюдается такой же характер излома. Но глубина слоя с хрупким изломом возрастает в три раза (рис. 3, б). Следовательно, азотирование произошло на большей глубине, причем за счет увеличения зоны внутреннего азотирования.

Рентгеноструктурным анализом определено, что в азотированном слое в а-Ре формируются ультрадис-персные частицы СгК. В первую очередь нитрид хрома формируется из карбидных частиц путем замены атомов углерода на атомы хрома [6]. Не исключено, что частицы СгК формируются и в результате распада пересыщенного твердого раствора а-Ре с образованием зародышей и ростом частиц нитридной фазы [7]. Подобное строение азотированного слоя приводит к дисперсионному упрочнению поверхностных слоев стали, что под-

тверждается значительным повышением микротвердости на поверхности исследованных образцов (рис. 2) [8].

Предварительная ультразвуковая обработка способствует увеличению объемной доли нитридной фазы, а также приводит к повышению микротвердости на поверхности азотированных образцов. Как видно на рис. 2, значение микротвердости на поверхности образцов азотированной стали, модифицированной ультразвуковой обработкой, составляет 12000 МПа, что несколько выше, чем значение микротвердости азотированных в исходном состоянии образцов (10000 МПа).

Оценка влияния ультразвуковой обработки и последующего азотирования на износостойкость исследуемой стали показала следующее. Ультразвуковое модифицирование повышает износостойкость стали, как в случае применения его как самостоятельного метода упрочнения, так и в случае использования его как метода подготовки поверхности перед азотированием (рис. 4).

Характер изнашивания поверхности, представленный в виде графика зависимости коэффициента трения от длины пробега индентора, показывает, что весь путь износа можно разделить на три участка: путь прира-

Рис. 4. Средняя интенсивность износа стали 40X13: в исходном состоянии

И

Рис. 5. Зависимость величины коэффициента трения от длины пробега стоянии

ботки (быстрое повышение коэффициента трения), путь износа азотированного слоя (плавное повышение коэффициента трения) и путь износа основного металла (участок с установившимся коэффициентом трения) (рис. 5).

Соответствие участка плавного повышения коэффициента трения пути износа азотированного слоя подтверждается сопоставлением глубины треков износа, средней скорости изнашивания и пути износа. По расчетам глубина износа на участке плавного повышения коэффициента трения для стали, азотированной обычным способом, составляет около 13 мкм, а для стали, азотированной с предварительным ультразвуковым модифицированием, — около 27 мкм. Данные значения коррелируют со значениями глубины азотированного слоя, полученными с помощью фрактографического анализа (рис. 3). Поэтому можно предположить, что совокупная износостойкость стали повышается, в первую очередь, за счет увеличения глубины азотированного слоя. Хотя нельзя не учитывать и вклад в повышение износостойкости более высокой твердости азотированного слоя, полученного при модификации поверхности ультразвуком.

4. Заключение

Таким образом, на основе проведенных исследований установлено, что ультразвуковое модифицирование поверхности стали 40Х13 перед азотированием в дуговом разряде низкого давления позволяет интенсифицировать процессы формирования азотированного слоя, что увеличивает в нем объемную долю нитридных фаз, глубину и микротвердость и способствует повышению износостойкости получаемых упрочненных слоев.

Работа выполнена в рамках комплексного проекта фундаментальных исследований РАН № 8.2.1 и гранта РФФИ № 06-08-01220.

И

индентора для стали 40Х13 с азотированным слоем: в исходном со-

Авторы благодарят сотрудников Центра измерения физических и эксплуатационных свойств новых материалов и покрытий НИИ ЯФ при ТПУ и сотрудников НОЦ «Физика и химия высокоэнергетических систем» при ТГУ за помощь в выполнении работы.

Литература

1. Клименов В.А., Ковалевская Ж.Г., Уваркин П.В., Нехорошков О.Н., Иванов Ю.Ф., Кукареко В.А. Ультразвуковое модифицирование поверхности и его влияние на свойства покрытий // Физ. мезо-мех. - 2004. - Т. 7. - Спец. выпуск. - Ч. 2. - С. 157-160.

2. Визитенко Л.Г., Григорьев С.В., Коваль Н.Н. и др. Дуговые разряды

низкого давления с полым катодом и их применение в генераторах плазмы и источниках заряженных частиц // Изв. вузов. Физика. -2001. - № 9. - С. 28-35.

3. Щанин П.М., Коваль Н.Н., Гончаренко И.М., Григорьев С.В. Азоти-

рование конструкционных сталей в газовых разрядах низкого давления // Физика и химия обработки материалов. - 2001. - № 3. -С. 16-19.

4. Ковалевская Ж.Г., Клименов В.А., Перевалова О.Б., Иванов Ю.Ф. Влияние предварительной ультразвуковой обработки стали 40X13 на фазовые превращения в поверхностном слое после азотирования методом ионной имплантации // 8 Международный симпозиум «Фазовые превращения в твердых растворах и сплавах» 0МА-2005, Сочи, 12-16 сентября 2005 г.: Сборник трудов. - Рос-тов-наДону: Издательство РГПУ, 2005. - Ч. II. - С. 63-65.

5. Клименов В.А., Ковалевская Ж.Г., Иванов Ю.Ф., Уваркин П.В. Формирование градиентных слоев на поверхности стали при ультразвуковой финишной обработке // Структурные основы модификации материалов методами нетрадиционных технологий (МНТ-VII): Тезисы докладов. - Обнинск: ИАТЭ, 2003. - С. 65-66.

6. Лахтин Ю.М., Коган Я.Д., Шпис Г.И., Бемер 3. Теория и технология азотирования. - М.: Металлургия, 1991. - 320 с.

7. Кукареко В.А. Субмикрокристаллическая структура и ее роль в формировании физико-механических свойств дисперсионно-упрочненных материалов на никелевой и железной основах / Ав-тореф. дис. ... докт. физ.-мат. наук. - Минск: ИНДМАШ НАНБ, 2004. - 35 с.

8. Петрова Л.Г., Чудина О.В. Оценка дисперсионного упрочнения различными когерентными нитридами при азотировании сплавов на основе железа, никеля и кобальта // МиТОМ. - 1999. - № 6. -С. 5-9.