Формирование структуры, механических и трибологических свойств высокохромистой стали электронно-ионно-плазменным азотированием
Автор: Ереско С. П., Иванов Ю. Ф., Петрикова Е. А., Тересов А. Д., Клопотов А. А.
Журнал: Сибирский аэрокосмический журнал @vestnik-sibsau
Рубрика: Технологические процессы и материалы
Статья в выпуске: 4 т.22, 2021 года.
Бесплатный доступ
Целью настоящей работы является обнаружение закономерностей формирования структуры, механических и трибологических свойств высокохромистой стали, подвергнутой комплексной обработке, сочетающей облучение импульсным электронным пучком и последующее азотирование в плазме газового разряда низкого давления с использованием плазмогенератора с накаленным катодом «ПИНК». Объектом исследования являлась жаропрочная коррозионностойкая сталь аустенитного класса марки 20Х23Н18. Актуальность и практическая значимость исследований обусловлены сравнительно низким уровнем твердости и износостойкости сталей данного класса, имеющих широкий спектр применения в современной промышленности, в том числе, в ракетнокосмической отрасли. Облучение стали 20Х23Н18 импульсным электронным пучком осуществляли на установке «СОЛО», последующее азотирование - на установке «КВИНТА». Показано, что максимальная микротвердость 19 ГПа (превышает твердость стали перед модифицированием в 11,2 раза и твердость стали после облучения электронным пучком в 8 раз) и минимальный параметр износа k = 0,7 ´ 10-6 мм3/Н ´ м (меньше параметра износа стали перед модифицированием более чем в 700 раз и меньше параметра износа стали после облучения электронным пучком более чем в 750 раз) наблюдаются на образцах, подвергнутых облучению при плотности энергии пучка электронов 30 Дж/см2, 200 мкс, 3 имп. и последующему азотированию при температуре 793 К в течение 3 ч. Толщина упрочненного слоя составляет 40 мкм. Установлено, что данные образцы имеют в поверхностном слое максимальное (90,6 %) содержание нитридных фаз (нитриды хрома и железа). Установлено, что после азотирования при температуре 723 К в поверхностном слое стали нитриды железа и хрома формируются в виде наноразмерных частиц округлой формы. При температурах азотирования 793 и 873 К в поверхностном слое стали формируется структура * пластинчатого типа, образованная чередующимися параллельными друг другу пластинами нитрида железа и нитрида хрома.
Комплексная обработка, импульсный электронный пучок, плазма газового разряда, высоколегированная сталь, структура, свойства
Короткий адрес: https://sciup.org/148323932
IDR: 148323932 | DOI: 10.31772/2712-8970-2021-22-4-688-699
Список литературы Формирование структуры, механических и трибологических свойств высокохромистой стали электронно-ионно-плазменным азотированием
- Ионная химико-термическая обработка сплавов / Б. Н. Арзамасов, А. Г. Братухин, Ю. С. Елисеев, Т. А. Панайоти. М. : МГТУ, 1999. 400 с.
- Берлин Е. В., Коваль Н. Н., Сейдман Л. А. Плазменная химико-термическая обработка поверхности стальных деталей. М. : Техносфера, 2012. 464 с.
- Эволюция структуры поверхностного слоя стали, подвергнутой электронно-ионно-плазменным методам обработки / Н. Н. Коваль, Ю. Ф. Иванова и др. Томск : НТЛ, 2016. 304 с.
- Lie Sh., Liang W., Yizuo W., Chunhua W. Plasma nitriding of AISI 304 austenitic stainless steel with pre-shot penning // Surface and Coatings Technology. 2010. Vol. 204, No. 20, P.3222-3227.
- Mirjani M., Shafyei A., Ashrafizadeh F. Plasma and gaseous nitrocarburizing of C60W steel for tribological applications // Vacuum. 2009. Vol. 83, No. 7, P. 1043-1048.
- Meletis E. I. Intensified plasma-assisted processing: science and engineering // Surface and Coatings Technology // Surface and Coatings Technology. 2002. Vol. 149, No. 2-3, P. 95-113.
- Wei R., Benn C. R., Cooper C. V. High Intensity Plasma Ion Nitriding of AerMet 100 Marten-sitic Steel // Plasma Process. Polym. 2007. Vol. 4, No. 1, P. 700-706.
- A new high-temperature plasma immersion ion implantation system with electron heating / R. M. Oliveira, J. A. N. Goncalves, M. et al. Ueda // Surface and Coatings Technology. 2010. Vol. 204, No. 18-19. P. 3009-3012.
- Генерация объемной плазмы дуговым разрядом с накаленным катодом / П. М. Щанин, Н. Н. Коваль, И. М. Гончаренко, С. В. Григорьев // Физика и химия обработки материалов. 2001. № 3. С. 16-19.
- Грибков В. А., Григорьев Ф. И., Калин Б. А. Перспективные радиационно-пучковые технологии обработки материалов. М. : Круглый стол, 2001. 528 с.
- Nazarov D. S., Ozur G. E., Proskurovsky D. I. Production of Low-Energy, High-Current Electron Beams in a Reflected Discharge Plasma-Anode Gun // Proc. of 11th IEEE Int. Pulsed Power Conference. Baltimore. USA. 1997. Vol. II. P. 1335-1340.
- Engelko V., Mueller G., Bluhm H. Influence of particle fluxes from target on characteristics of intense electron beams // Vacuum. 2001. Vol. 62/2-3. P. 97-103.
- Источники заряженных частиц с плазменным эмиттером / Н. В. Гаврилов, В. И. Гушенец, Н. Н. Коваль др. Екатеринбург : УИФ Наука, 1993. 148 c.
- Effect of intensified emission during the generation of a submillisecond low-energy electron beam in a plasma-cathode diode / S. V. Grigoriev, N. N. Koval, V. N. Devjatkov, A. D. Teresov // Proc. 9th Intern. Conf. On Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows. Tomsk. 2008. P. 19-22.
- Koval N. N., Ivanv Yu. F. Nanostructuring of surfaces of metalloceramic and ceramic materials by electron-beams // Russian Physics Journal. 2008. Vol. 51. P. 505-516.
- Complex electron-ion-plasma treatment of titanium: methods, structure, properties / Yu. F. Ivanov, O. V. Krysina, E. A. Petrikova et al. // High Temperature Material Processes. 2017. Vol. 21(1). P. 53-64.
- Коваль Н. Н., Иванова Ю. Ф. Электронно-ионно-плазменная модификация поверхности цветных металлов и сплавов. Томск : НТЛ, 2016. 312 с.
- Raghavan V. The Cr-Fe-N System in Phase Diagrams of Ternary Iron Alloys // Indian Inst. Metals, Calcutta. 1987. Vol. 1. Р. 171-182.
- Hertzman S. A. Study of Equilibria in the Fe-Cr-Ni-Mo-C-N System at 1273 K // Metallurgical Transactions, Section A: Physical Metallurgy and Materials Science. 1987. Vol. 18. Р. 1767-1778.
- Frisk K. A. Thermodynamic Evaluation of the Fe-Ni-N System // Z. Metallkd. 1991. No. 82. Р.59-66.
- Lee B.-J. A. Thermodynamic Evaluation of the Fe-Cr-Ni System // J. Korean Inst. Met. 1993 Vol. 31. Р. 480-489.
- Структурно-фазовое состояние и свойства заэвтектического силумина, обработанного импульсным электронным пучком / Ю. Ф. Иванов, С. П. Ереско, А. А. Клопотов и др. // Сибирский аэрокосмический журнал. 2021. Т. 22, № 2. С. 371-382.
- Структурно-фазовые состояния наноструктурированных поверхностных слоев титана ВТ1-0 после комбинированной электронно-ионно-плазменной обработки / Ю. Ф. Иванов, А. Д. Тересов, В. Е. Громов и др. // Решетневские чтения : материалы XVIII Междунар. науч. конф. / Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Красноярск, 2014. Ч. 1. С. 291-293.
- Особенности структурно-фазового состояния на поверхности силумина, сформированного методами электронно-ионно-плазменной обработки / Ю. Ф. Иванов, С. П. Ереско, А. А. Клопотов и др. // Решетневские чтения : материалы XXI Междунар. науч. конф. / Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Красноярск, 2017. Ч. 1. С. 615-617.
- Разработка комбинированного электронно-ионно-плазменного метода формирования многофазных субмикро-наноразмерных сплавов на основе алюминия / Ю. Ф. Иванов, С. П. Ереско, Ю. X. Ахмадеев и др. // Решетневские чтения : материалы XVIII Междунар. науч. конф. / Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Красноярск, 2018. Ч. 1. С. 490-492.
- Многоцикловое поверхностное легирование силумина титаном / Ю. Ф. Иванов, А. А. Клопотов, С. П. Ереско и др.// Решетневские чтения : материалы XXIII Междунар. науч.-практ. конф. / СибГУ им. М. Ф. Решетнева. Красноярск, 2019. Ч. 1. С. 526-528.
- Разработка комбинированного электронно-ионно-плазменного метода формирования многофазных субмикро-наноразмерных сплавов на основе алюминия / Ю. Ф. Иванов, С. П. Ереско, Ю. Х. Ахмадеев и др. // Сибирский журнал науки и технологий. 2019. Т. 20, № 1. C. 88-98.
- Комплексный электронно-ионно-плазменный метод азотирования высоколегированной стали / С. П. Ереско, Ю. Ф. Иванов, Е. А. Петрикова и др. // Решетневские чтения : материалы XXV Междунар. науч.-практ. конф. / СибГУ им. М. Ф. Решетнева. Красноярск, 2021. Ч. 1. С. 555-557.
