Ультразвуковое модифицирование поверхности и его влияние на свойства покрытий

Ультразвуковое модифицирование поверхности

и его влияние на свойства покрытий

В.А. Клименов, Ж.Г. Ковалевская, П.В. Уваркин,

О.Н. Нехорошков, Ю.Ф. Иванов1, В.А. Кукареко2

Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Томск, 634021, Россия 1 Институт сильноточной электроники СО РАН, Томск, 634055, Россия 2 Институт надежности машин НАН Беларуси, Минск, 220072, Беларусь

Авторами исследовано влияние ультразвуковой финишной обработки на структуру и свойства поверхностных слоев углеродистых сталей. При ультразвуковой финишной обработке на поверхности изделия формируются слои с градиентной структурой. Такое строение поверхности обеспечивает улучшение прочностных свойств композиции «градиентный слой - основа» для всех типов стали.

Повышение дефектности кристаллического строения поверхностного слоя после ультразвуковой финишной обработки позволило предложить данный метод как способ предварительной подготовки поверхности перед химико-термической обработкой. Исследования показали, что предварительная ультразвуковая обработка изменяет глубину упрочненного слоя и соотношение фаз при азотировании.

Ultrasonic finishing treatment and its influence on coating properties

V.A. Klimenov, Zh.G. Kovalevskaya, P.V. Uvarkin, O.N. Nekhoroshkov, Yu.F. Ivanov, and V.A. Kukareko

An influence of ultrasonic finishing treatment on structure and properties of superficial layers of carbon steels has been investigated by the authors. During treatment the layers with gradient structure are formed on the surface of a product . Such surface structure provides improvement of strengthening properties of a composition “gradient layer - substrate” for all types of steel.

The increase of crystal structure imperfection of a superficial layer after ultrasonic treatment has allowed us to propose the given method as a way of preliminary preparation of a surface for chemicothermal treatment. The study has shown that preliminary ultrasonic treatment changes the phase composition and thickness of the strengthening layer in nitriding.

1. Введение

Среди методов отделочно-упрочняющих обработок поверхностным пластическим деформированием в последнее время находит широкое применение ультразвуковая финишная обработка [1, 2]. Ранее авторами исследовано влияние ультразвуковой обработки на структуру и свойства поверхностных слоев углеродистых и легированных сталей [3-5]. Многократное пластическое деформирование поверхности ультразвуковым инструментом приводит к изменению геометрии поверхности, физического состояния поверхностных слоя и его структуры. В результате воздействия относительно высоких напряжений и многократной нагрузки на поверхности изделия формируется слой с градиентной структурой, обусловленной изменением по глубине физико-механических свойств (микротвердости), размера структурных элементов (размера зерен, дислокацион-

ной субструктуры, частиц вторых фаз), характеристик структуры (скалярной плотности дислокаций, наличие упруго-пластических полей напряжений). Все выше сказанное позволило говорить о модифицирующем воздействии ультразвуковой обработки на структуру поверхностных слоев стали.

Известно, что увеличение дефектов кристаллического строения металлических сплавов ускоряет диффузионные процессы, протекающие при химико-термической обработке [6, 7]. Авторы ряда работ предлагают для повышения эффективности цементации, никотри-рования, борирования и азотирования разных типов стали использовать различные способы холодной пластической деформации [8-11].

В процессе холодной пластической деформации в материале возрастают остаточные напряжения, увеличивается плотность дислокаций, формируется развитая

© Клименов В.А., Ковалевская Ж.Г., Уваркин П.В., Нехорошков О.Н., Иванов Ю.Ф., Кукареко В.А., 2004

субструктура, измельчается зерно. Создаются условия для ускорения диффузионного массопереноса атомов внедрения вглубь материала как по границам зерен, протяженность которых увеличивается, так и по телу кристаллитов, за счет образования легкоподвижных комплексов с вакансиями и повышенной диффузионной проницаемости в искаженных областях решетки вблизи ядер дислокаций [6-12].

При ультразвуковой обработке на поверхности стали формируется модифицированный слой, соизмеримый по глубине с глубиной диффузионного проникновения атомов при ионной имплантации, что позволяет предложить данный метод поверхностного пластического деформирования как способ предварительной подготовки поверхности перед высокоинтенсивной низкоэнергетической имплантацией ионами азота [12, 13].

2. Материал и методика эксперимента

Материалом исследования была выбрана легированная сталь мартенситного класса 40X13 (закалка от 1050 °С в масло с последующим отпуском при 600 °С в течение 2 часов с охлаждением на воздухе). Образцы высотой 6 мм и диаметром 10 мм механически шлифовались с торца, а затем половина из них обрабатывалась ультразвуковой финишной обработкой по методике, описанной в работе [5]. Затем все образцы подвергались высокоинтенсивной имплантации ионами азота [13]. Имплантация проводилась в течение двух часов при энергии ионов 1-3 кэВ и плотности ионного тока

2 мА/см2. Суммарная доза падающих ионов составила

3 -1019 см-2. Температура обработки — 350, 400, 450 и 500 °С.

Исследования полученных образцов проводились с помощью металлографического анализа, электронной микроскопии, рентгеноструктурного анализа и измерения микро- и нанотвердости. Для этих целей использовался следующий комплекс оборудования: оптический микроскоп МИМ-10, сканирующий электронный микроскоп SEM-515 Philips, дифрактометр ДР0Н-2.0, микротвердомер ПМТ-3, прибор для оценки нанотвердости Nano Hardness Tester NHT-S-AX-000X.

3. Результаты эксперимента и обсуждение

Предварительные исследования показали, что после

ультразвуковой финишной обработки на поверхности

образцов из стали 40X13 формируется модифицирован-

ный слой толщиной 5-10 мкм. Исходная структура —

отпущенный мартенсит игольчатой формы — измель-

чается и на поверхности наблюдается так называемый

«белый» слой (рис. 1).

По результатам рентгеноструктурного анализа опре-

делено, что при ультразвуковой финишной обработке

стали 40X13 изменения фазового состава в поверхност-

ном слое не происходит. Сталь содержит матричную

а-фазу и частицы карбидов Сг23С6. В поверхностном слое меняется период кристаллической решетки а-фазы и отмечается текстурированность поверхностного слоя.

Проведенные ранее электронно-микроскопические исследования сталей мартенситного класса показали, что в результате ультразвукового деформирования в поверхностном слое стали происходит полное или частичное разрушение мартенситной структуры с образованием фрагментированной дислокационной субструктуры, а также измельчение карбидных частиц [3].

Повышение дефектности структуры поверхностного слоя приводит к его упрочнению. Значение микротвердости, измеренное при нагрузке 100 г, меняется с 4250 МПа в глубине образца до 5 980 МПа на поверхности. Отметим, что после предварительного шлифования образцов значение микротвердости на поверхности составляет 4 800 МПа.

Таким образом, на основе полученных результатов можно сделать заключение, что после ультразвуковой финишной обработки на поверхности образцов образуется модифицированный слой с повышенным содержанием дефектов кристаллического строения.

У4А

Рис. 1. Металлографическое изображение (а) и изображение излома (б) поверхностного слоя стали 40X13 после ультразвуковой финишной обработки

Рис. 2. Азотированный слой и отпечатки нанотвердости на стали 40X13 при Т = 450 °С: имплантация № после шлифования

Ионная имплантация № шлифованных и обработанных ультразвуковой финишной обработкой образцов приводит к формированию слоя внутреннего азотирования, толщина и фазовый состав которого зависят от температуры имплантации и способа предварительной обработки поверхности.

С повышением температуры обработки глубина азотированного слоя увеличивается для всех образцов. При этом толщина азотированного слоя, полученного в одном температурном режиме, у образцов после ультразвуковой финишной обработки больше, чем у шлифованных. Так, при температуре имплантации 450 °С толщина азотированного слоя составляет 26 и 20 мкм соответственно (рис. 2).

С повышением температуры ионной имплантации влияние ультразвуковой финишной обработки поверхности на глубину диффузии ионов азота увеличивается. Если при температуре ионной имплантации 400 °С разница в толщине слоев составляла 3 мкм, то при температуре 500 °С она равна 10 мкм. Этот эффект, скорее всего, связан с тем, что при температуре около 450500 °С в деформированном ультразвуком слое стали 40X13 начинаются процессы рекристаллизации. Возврат и полигонизация дислокационных структур ускоряют продвижение азота вглубь образца.

Измерение значений микро- и нанотвердости на поверхности имплантированных образцов показало следующее (рис. 3, а). С увеличением температуры имплантации до 450 °С у образцов из стали 40X13, независимо от способа ее предварительной обработки, твердость возрастает до 18 000 МПа. При дальнейшем увеличении температуры имплантации твердость увеличивается незначительно или даже снижается.

Предварительная ультразвуковая финишная обработка способствует увеличению нанотвердости на поверхности образцов, имплантированных при температуре 400-450 °С. Несмотря на увеличение глубины азотированного слоя на образцах с ультразвуковой финишной обработкой, имплантированных при температуре

500 °С, их нанотвердость ниже, чем у шлифованных образцов. Это объясняется тем, что протекающие процессы рекристаллизации приводят к выделению нитридов в менее дисперсной форме.

Распределение значений нанотвердости по глубине азотированного слоя, имплантированного при температуре 450 °С, представлено на рис. 3, б. Из графика видно, что по всей глубине азотированного слоя, полученного на образце после ультразвуковой финишной обработки, значения нанотвердости выше, чем на образце, имплантированном после шлифования.

Рентгеноструктурный анализ сравниваемых образцов показывает следующее (рис. 4).

Фазовый состав имплантированного слоя, независимо от способа предварительной обработки поверхности, включает в себя нитриды £-^е, Сг)3К, у7-^е, Сг)4К и а'-^е, Сг)8К, а также азотистый мартенсит, который располагается в нижних слоях модифицированной поверхности — в зоне внутреннего азотирования. В модифицированном ионами азота слое стали, подвергнутой ультразвуковой обработке, процессы нитридообразования при имплантации проходят более интенсивно. Снижается содержание высокоазотистой £-^е, Сг)3К-фазы и регистрируется образование большого количества низкоазотистой фазы у7-^е, Сг)4К (рис. 4, б). Кроме этого в слое обнаруживается выделение частиц нитрида Сг№

Увеличение объемной доли кубической у'-фазы вместо пористой и хрупкой е-фазы и выделение частиц СгК приводят к повышению нанотвердости во всем

Рис. 3. Изменение значений нанотвердости: на поверхности образцов при разной температуре имплантации №

см

о

см

Рис. 4. Фрагменты рентгеновских дифрактограмм

азотированном слое образца, полученном имплантацией № после ультразвуковой финишной обработки (рис. 3, б).

Стоит отметить, что влияние предварительной ультразвуковой финишной обработки на процесс имплантации № было бы более заметно при сравнении с имплантированными электрополированными образцами, поверхность которых пластически не деформировалась. Предварительная механическая шлифовка вносила определенную долю дефектов в кристаллическое строение поверхностного слоя, на что указывает повышение микротвердости на поверхности шлифованных образцов. Таким образом, нами сравнивался процесс азотирования образцов с разной степенью деформации поверхностного слоя: меньшей при имплантации шлифованных образцов и большей при имплантации шлифованных образцов с ультразвуковой финишной обработкой.

Кроме того, глубина деформированного ультразвуковой финишной обработкой слоя на стали 40X13 оказалась несколько меньше глубины проникновения атомов азота в сталь. Это также вносило некоторую неточность в полученные результаты.

Несмотря на выше сказанное влияние предварительной ультразвуковой финишной обработки на процесс имплантации № стали 40X13 очевидно. Авторами будет продолжена работа по дальнейшему исследованию

влияния режимов ультразвуковой финишной обработки на процесс азотирования стали различными методами.

4. Выводы

Предварительная модификация поверхностного слоя стали 40X13 ультразвуковой финишной обработкой интенсифицирует процессы нитридообразования при высокоинтенсивной имплантации ионами азота. Повышение дефектности поверхностного слоя увеличивает глубину азотированного слоя, меняет соотношение фаз и соответственно его механические свойства. На основе полученных результатов ультразвуковая финишная обработка предлагается как метод подготовки поверхности перед азотированием.

Работа выполнена в рамках совместного научного проекта БРФФИ-РФФИ «Механика пластической деформации и разрушения поверхностно-упрочненных твердых тел».

Литература

1. Шнейдер Ю.Г. Технология финишной обработки давлением: Спра-

вочник. - СПб.: Политехника, 1998. - 414 с.

2. Холопов Ю.В. Безабразивная ультразвуковая финишная обработка

металлов — технология XXI века // Металлообработка. - 2001. -№ 4. - С. 5-9.

3. Панин В.Е., Клименов В.А., Безбородов В.П. и др. Субструктурные

и фазовые превращения при ультразвуковой обработке мартен-ситной стали // ФиX0М. - 1993. - № 6. - С. 77-83.

4. Клименов В.А., Иванов Ю.Ф., Перевалова О.Б. и др. Структура, фазовый состав и механизмы упрочнения аустенитной стали, подвергнутой ультразвуковой обработке бойками // ФиКОМ. - 2001. -№ 1. - С. 90-97.

5. Klimenov V.A., Kovalevskaya J.G., Uvarkin P.V., Tolstov VP., Stepa-novI.B. Technology of ultrasonic finishing treatment for locomotive wheel pair tyre // Proc. 7th Korea-Russia Int. Symp. on Science and Technology, June 28 - July 6, 2003. - 2003. - V. 1. - Р. 279-284.

6. Криштал М.А. Механизм диффузии в железных сплавах. - М.: Металлургия, 1972. - 260 с.

7. Бокштейн С.З. Диффузия и структура металлов. - М.: Металлургия, 1973. - 280 с.

8. Власов В.М., Жигунов К.В., Иванькин И.С. и др. Влияние предварительной холодной пластической деформации на кинетику процесса никотрирования теплостойких сталей // МиТОМ. - 2002. -№ 9. - С. 39^1.

9. Эфрос Б.М. Влияние гидроэкструзии и борирования на конструкционную прочность сталей // МиТОМ. - 2000. - № 1. - С. 15-18.

10. Бараз В.Р., Штремт А.М., Кирьянова Н.С. Ускоренное азотирование деформированной аустенитной стали // Изв. вузов. Черная металлургия. - 1989. - Вып. 8. - С. 101-103.

11. Лахтин Ю.М., Кальнер В.Д., Седуков В.К. и др. Влияние предварительной холодной деформации на цементацию стали // МиТОМ.- 1971. - № 12. - С. 22-26.

12. Белыгй А.В., Кукареко В.А., Лобадаева О.В., Ших С.К. Фазовые и структурные превращения в материалах на основе железа, подвергнутых низкоэнергетической имплантации азотом при высоких плотностях тока // ФММ. - 1995. - Т. 80. - Вып. 6. - С. 82-95.

13. Кукареко В.А., Белыгй А.В., Панин С.В. и др. Влияние высокоинтенсивной имплантации ионов азота на структуру и поведение стали 40X в условиях трения и износа // Физ. мезомех. - 2002. -Т. 5. - № 1. - С. 71-80.