Формирование структуры, механических и трибологических свойств высокохромистой стали электронно-ионно-плазменным азотированием

Специальные, а также коррозионностойкие и нержавеющие стали являются вторым, после сплавов на основе алюминия, по применению материалом в ракетно-космической отрасли. Сравнительно низкая твердость и износостойкость являются отрицательными характеристиками нержавеющих аустенитных сталей, снижая срок службы изделий из данного материала. Модификация поверхности металлов и сплавов путем комплексной обработки, сочетающей в различной последовательности насыщение поверхностного слоя атомами газовых элементов (азот, углерод, кислород), напыление тонких пленок различных металлов с последующим перемешиванием под действием высокоэнергетических импульсных электронных пучков, нанесение твердых и сверхтвердых износостойких покрытий и т. д. является одним из наиболее перспективных методов повышения служебных характеристик материала [1–3]. Наиболее распространенным в промышленности ионно-плазменным методом азотирования, в том числе и нержавеющих сталей, является метод, основанный на использовании аномального тлеющего разряда [1; 2; 4; 5]. Преимуществом данного метода является относительная простота как устройств, так и реализации процесса. Основные его недостатки связаны с достаточно большим давлением, при котором он реализуется, что не позволяет проводить эффективную ионную очистку обрабатываемой поверхности в процессе азотирования, существенно увеличивая длительность обработки.

Другой способ получения газовой плазмы с целью проведения процессов химикотермической обработки основан на использовании дуговых разрядов (концентрация плазмы (1015–1018) м–3 в объемах до нескольких м3). Наиболее перспективным на настоящий момент является метод формирования разряда низкого давления с накаленным катодом, который обеспечивает генерацию плазменного потока без микрокапель [6–9]. С использованием комбинированного катода, включающего накаленный и полый катоды в Институте сильноточной электроники СО РАН был разработан плазмогенератор «ПИНК» [9].

В последние годы активно развиваются методы комбинированной обработки поверхности деталей и изделий. Одним из перспективных вариантов комбинированной обработки является использование, дополнительно к азотированию, облучения материала импульсным электронным пучком [10]. Широкое распространение получили электронные источники на основе взрывоэмиссионного катода [11; 12] и с плазменными катодами [13; 14]. Установка «СОЛО» УНУ «УНИКУУМ», которая была использована при исследованиях, рассмотренных в настоящей работе, оснащена электронным источником с плазменным катодом на основе импульсного дугового разряда низкого давления с сеточной стабилизацией границы катодной плазмы и открытой границей анодной плазмы, позволяет генерировать электронный пучок с током до 300 А, энергией электронов до 25 кВ, длительностью импульса (20–200) мкс, плотностью энергии в импульсе до 80 Дж/см2, частотой следования импульсов до 15 с–1 [15–17]. Все параметры можно регулировать плавно и независимо друг от друга. Использование ускоряющего напряжения до 25 кВ не требует наличия дополнительной радиационной защиты.

Цель настоящей работы – 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».

Материал и методики исследования

Материалом исследования являлись образцы стали 20Х23Н18 (аналог США AISI 310). Образцы имели форму пластинок размерами (15 x 15 x 5) мм. Облучение стали осуществляли на установке «СОЛО» [17] (18 кэВ, (10 и 30) Дж/см², 200 мкс, 3 имп., 0,3 с^–1, остаточное давление аргона 0,02 Па). Азотирование (723–873 К, 1–5 ч) проводили на установке «КВИНТА», оснащенной плазмогенератором «ПИНК». Исследования структуры и фазового состава материала осуществляли методами сканирующей и просвечивающей дифракционной электронной микроскопии, рентгеноструктурного анализа. Свойства модифицированного слоя характеризовали микротвердостью и износостойкостью.

Результаты исследования и обсуждение

Показано, что облучение стали импульсным электронным пучком приводит к существенному преобразованию структуры поверхностного слоя стали. При плотности энергии пучка электронов 10 Дж/см² (200 мкс, 3 имп.), во-первых, в пределах одного зерна выявляется несколько систем микродвойникования (рис. 1, а ); во-вторых, увеличивается количество изгибных контуров экстинкции, что свидетельствует об увеличении амплитуды внутренних полей напряжений и росте количества концентраторов напряжений (рис. 1, б ); в-третьих, в 1,5 раза (относительно исходного состояния) увеличивается скалярная плотность дислокаций.

Рис. 1. Структура поверхностного слоя стали, облученной импульсным электронным пучком (10 Дж/см2, 200 мкс, 3 имп.)

Fig. 1. Structure of the surface layer of steel irradiated with a pulsed electron beam (10 J/cm2, 200 microseconds, 3 pulses).

Увеличение плотности энергии пучка электронов до 30 Дж/см² приводит к плавлению поверхностного слоя и формированию структуры ячеистой кристаллизации (рис. 2, а ).

Рис. 2. Структура поверхностного слоя стали, облученной импульсным электронным пучком (30 Дж/см2, 200 мкс, 3 имп.)

Fig. 2. Structure of the surface layer of steel irradiated with a pulsed electron beam (30 J/cm2, 200 microseconds, 3 pulses)

Размер ячеек изменяется в пределах 300–400 нм. В объеме ячеек присутствует дислокационная субструктура (рис. 2, б ). Скалярная плотность дислокаций 2,3 ⋅ 10¹⁰ см^–2, т. е. ниже скалярной плотности дислокаций поверхностного слоя стали, облученной электронным пучком в режиме твердофазной модификации материала (10 Дж/см², 200 мкс, 3 имп.). Вдоль границ и в стыках границ ячеек кристаллизации выявляются частицы второй фазы. Анализ микроэлектронограмм позволяет утверждать, что данные частицы являются преимущественно карбидом хрома.

Установлено методами рентгеноструктурного анализа, что независимо от режима облучения и последующего азотирования в поверхностном слое стали формируется многофазная поликри-сталлическая структура (рис. 3). Основными фазами исследуемых образцов являются α-Fe и γ-Fe, а также нитрид железа состава Fe 4 N и нитрид хрома состава CrN. Максимальное (90,6 %) содержание нитридных фаз выявлено в поверхностном слое стали, прошедшей предварительную обработку импульсным электронным пучком (30 Дж/см², 200 мкс, 3 имп.) и последующее азотирование при 793 К в течение 3 ч.

α- Fe

Fe N

Fe4N

CrN

35 40 45 50 55 60 65 70 75 80

2Θ, град.

Рис. 3. Участок рентгенограммы образца стали 20Х23Н18, подвергнутой комплексной обработке (30 Дж/см2, 200 мкс, 3 имп. + 793 К, 3 ч)

Fig. 3. X-ray section of a AISI 310 steel sample subjected to complex treatment (30 J/cm2, 200 microseconds, 3 pulses + 793 K, 3 hours)

Морфологию фаз и дефектную субструктуру модифицированного слоя стали 20Х23Н18 изучали методами просвечивающей электронной дифракционной микроскопии (прибор JEM 2100F, JEOL). На рис. 4, а приведено электронно-микроскопическое изображение структуры поперечного сечения поверхностного слоя образца стали, подвергнутой комплексной обработке (30 Дж/см², 200 мкс, 3 имп. + 793 К, 3 ч). Отчетливо видно, что формирующаяся структура является многослойной. Выявляются поверхностный слой (рис. 4, слой № I), имеющий столбчатую (пластинчатую) структуру, переходный слой (рис. 4, слой № II), имеющий наноразмерную структуру зеренного типа, и слой термо-диффузионного влияния (рис. 4, слой № III), имеющий структуру зеренного типа с наноразмерными частицами второй фазы. Толщина слоя I достигает 3,5–4 мкм, толщина слоя II – 0,35–0,45 мкм; толщина слоя III – ≈35 мкм. Методами микроди-фракционного анализа с использованием темнопольной методики установлено, что поверхностный слой стали сформирован чередующимися пластинами нитридов железа и хрома. Данный тип структуры формируется после азотирования при температурах 793 и 873 К. Азотирование при температуре 723 К приводит к формированию в поверхностном слое стали многофазной зеренной структуры субмикронных размеров (рис. 5). В объеме зерен наблюдаются нанораз-мерные (5–12 нм) включения нитридов железа и хрома.

Механические (микротвердость) и трибологические (износостойкость при сухом трении) испытания образцов стали 20Х23Н18, подвергнутой комплексной обработке, позволили выявить для каждой из температур азотирования режимы модифицирования, показавшие наилучшие свойства. Наиболее высокий комплекс свойств выявлен у образцов, подвергнутых облучению (30 Дж/см2, 200 мкс, 3 имп.) и последующему азотированию (793 К, 3 ч). Толщина упрочненного слоя данных образцов составляет 40 мкм, твердость на поверхности модифицирования

19 ГПа (превышает твердость стали перед модифицированием в 11,2 раза и твердость стали после облучения импульсным электронным пучком в 8 раз); параметр износа (величина, обратная износостойкости) - 0,7 x 10 —6 мм³/Н х м (меньше параметра износа стали перед модифицированием, равного 495 х 10 "6 мм³/Н х м, более чем в 700 раз и меньше параметра износа стали после облучения электронным пучком, равного 520 х 10 "6 мм³/Н х м, более чем в 750 раз).

Анализ изотермических сечений тройных диаграмм систем Cr - Fe-N, Cr - Ni-N, Fe-Ni - N и Cr-Fe-Ni позволил установить, что в системе Fe-Ni - N существует узкая область твердого раствора на основе фазы y (Fe, Ni), а в системе Cr-Fe-Ni - обширная область трехкомпонентного твердого раствора (Cr, Fe, Ni) (рис. 6) [21]. Все это позволило предположить, что в четырехкомпонентной системе Cr - Fe - Ni - N возможно образование четырехкомпонентного твердого раствора (Cr, Fe, Ni, N) на основе y (Fe, Ni) фазы.

Следует отметить, что представленный в данной статье метод модификации поверхности металлов и сплавов интенсивным импульсным электронным пучком, позволяющий значительно улучшить физико-механические свойства поверхностных слоев металлов и сплавов, достаточно подробно рассмотрен в работах [22–28].

Рис. 4. Электронно-микроскопическое изображение структуры поперечного сечения образца стали 20Х23Н18, подвергнутой комплексной обработке (30 Дж/см2, 200 мкс, 3 имп. + 793 К, 3 ч); изображение, полученное методами STEM

Fig. 4. Electron microscopic image of the cross-sectional structure of a AISI 310 steel sample subjected to complex processing (30 J/cm2, 200 microseconds, 3 pulses. + 793 K, 3 hours); image obtained by STEM methods

Рис. 5. Электронно-микроскопическое изображение структуры поперечного сечения образца стали 20Х23Н18, подвергнутой комплексной обработке (30 Дж/см2, 200 мкс, 3 имп. + 723 К, 3 ч)

Fig. 5. Electron microscopic image of the cross-sectional structure of a AISI 310 steel sample subjected to complex processing (30 J/cm2, 200 microseconds, 3 pulses. + 723 K, 3 hours)

Рис. 6. Изотермические сечения тройных систем Cr - Fe–N [18], Cr - Ni–N [19], Fe–Ni - N [20] и Cr - Fe–Ni [21]

Fig. 6. Isothermal sections of triple systems Cr - Fe–N [18], Cr - Ni–N [19], Fe–Ni - N [20] и Cr - Fe–Ni [21]

Заключение

Комплексным методом, совмещающим в определенной последовательности облучение импульсным электронным пучком и азотирование в плазме газового разряда низкого давления с использованием плазмогенератора с накаленным катодом «ПИНК», осуществлена обработка поверхности образцов стали 20Х23Н18. Установлено, что после азотирования при температуре 723 К в поверхностном слое облученных образцов 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. 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, к = 0,7 x 10 - 6 мм³/Н х 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 образцы, продемонстрировавшие наиболее высокие значения твердости и износостойкости, имеют в поверхностном слое максимальное (90,6 %) содержание нитридных фаз (нитриды хрома и железа).