Введение к работе
Актуальность проблемы. В последние десятилетия практическое использование обработки поверхности материалов концентрированными потоками энергии (КПЭ) развивается опережающими темпами. Электровзрывное легирование (ЭВЛ) - это способ модификации структуры и свойств поверхностных слоев металлов и сплавов с целью их упрочнения. Оно осуществляется путём электрического взрыва проводников, формирования импульсных многофазных плазменных струй, оплавления ими поверхности и насыщения расплава продуктами взрыва с последующей самозакалкой и образованием новых упрочняющих фаз. Основной особенностью формируемых плазменных струй, служащих инструментом воздействия на поверхность, является неоднородность их строения и структуры. Они всегда содержат конденсированные частицы продуктов взрыва и частиц порошков различных веществ, специально вводимых в область взрыва, которые располагаются в тылу струи. При этом взаимодействие сверхзвукового высокоэнергетического плазменного фронта струи с поверхностью характеризуется формированием вблизи неё ударно-сжатого слоя плазмы с высокими значениями температуры и давления. Эти особенности позволяют формировать на поверхности облучаемого материала структурно-фазовые состояния с высокими функциональными свойствами, в ряде случаев недостижимые при использовании других аналогичных способов обработки. В то же время неоднородность строения и структуры плазменных струй, а также импульсный характер термосилового воздействия на поверхность при ЭВЛ, являются причинами формирования её высокоразвитого рельефа и незавершённости структурно-фазовых превращений в оплавляемых поверхностных слоях. Это может ограничивать возможности практического использования способа. Анализ литературных данных показал, что возможности ЭВЛ могут быть усилены сочетанием этого вида обработки с электронно-пучковым оплавлением поверхности низкоэнергетическими сильноточными электронными пучками (НСЭП). Такая комбинированная обработки приводит к повышению функциональных свойств материалов и выравниванию поверхности.
Тема диссертации соответствует направлению «Нанотехнологии и нанома-териалы» «Перечня критических технологий РФ». Исследования проводились в соответствии с ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 г.г.» (гос. контракты №№ П332, 02.740.11.0538), АВЦП «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010)» (проект 2.1.2/546) и поддержаны грантами РФФИ (№№ 10-07-00172-а, 07-08-92102-ГФЕНа, 08-02-00024-а, 08-02-12012-офи).
Цель и задачи исследования. Работа посвящена выявлению закономерностей формирования структурно-фазовых состояний с целью повышения функциональных свойств поверхностных слоев углеродистой стали 45 при комбинированной обработке, включающей электронно-пучковую обработку (ЭПО) стали 45 после электровзрывного бороалитирования и алитирования совместно с карбидом кремния.
Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи:
Разработать способы комбинированной обработки стали 45.
Изучить влияние ЭПО на рельеф поверхности двухкомпонентного ЭВЛ стали 45.
Провести экспериментальный и теоретический анализ изменения структурно-фазовых состояний по глубине поверхностных слоев углеродистой стали 45 после двухкомпонентного ЭВЛ и комбинированной обработки.
Определить микротвёрдость и износостойкость поверхности стали 45 после двухкомпонентного ЭВЛ и комбинированной обработки.
Выявить механизмы упрочнения.
Научная новизна. Выявлены механизмы упрочнения поверхностных слоев углеродистой стали 45 после комбинированной обработки, которая заключается в электровзрывном бороалитировании, алитировании совместно с карбидом кремния стали 45 и последующей ЭПО.
Показано, что по глубине зоны легирования стали 45 после комбинированной обработки формируется многофазная структура, представленная кристаллами мартенсита пакетной и пластинчатой морфологии, прослойками остаточного аустенита, зернами и субзёрнами феррита, ячейками аустенита, частицами SiC субмикронных размеров и наночастицами сложного состава ALjSiC^ выделениями частиц вторых фаз состава А1Ві2, АШЄ4, FesSi.
Для интерпретации полученных данных по влиянию ЭПО на глубину зоны упрочнения и распределения микротвёрдости по глубине было проведено моделирование тепловых и диффузионных процессов.
Практическая значимость работы. Определены режимы, при которых ЭПО усиливает возможности ЭВЛ, уменьшая шероховатость и увеличивая функциональные свойства поверхностных слоев.
Рентгеноструктурные исследования поверхности стали 45 после электровзрывного бороалитирования показали в зоне легирования наличие следующих фаз: a-Fe, FeB, FeAl, Fe2B, Fe23(C, B)6.
Дополнительная ЭПО поверхности легирования стали 45 приводит к росту глубины упрочнения по сравнению с поверхностью ЭВЛ. Микротвёрдость после электровзрывного бороалитирования и ЭПО составляет 16 ГПа, а глубина упрочнения 90 мкм, а после алитирования совместно с карбидом кремния и ЭПО - 12,5 ГПа и 50 мкм, соответственно. В исходном состоянии микротвёрдость составляет 2 ГПа.
Износостойкость в условиях сухого трения скольжения после электровзрывного бороалитирования и ЭПО увеличивается в 43 раза, а при электровзрывном алитировании совместно с карбидом кремния и ЭПО - в 12 раз.
Результаты измерения шероховатости показали, что после электровзрывного бороалитирования среднее арифметическое отклонение профиля Ra достигает значения 1,55 мкм. Комбинированная обработка приводит к значительному выравниванию рельефа поверхности. Среднее арифметическое отклонение профиля Ra в этом случае составляет 0,57 мкм.
Достоверность полученных результатов обусловлена большим объемом экспериментальных данных, полученных с использованием световой микроскопии, сканирующей и просвечивающей дифракционной электронной микроско-
пий, определения микротвёрдости и износостойкости, рентгеноструктурного исследования, сравнением результатов с результатами других авторов. Основные результаты и положения, выносимые на защиту:
Результаты изучения рельефа поверхности, строения, структуры и фазового состава зоны электровзрывного бороалитирования, алитирования совместно с карбидом кремния стали 45 после последующей ЭПО.
Повышение микротвердости и износостойкости в условиях сухого трения скольжения поверхностных слоев стали 45 после комбинированной обработки.
Механизмы упрочнения поверхностных слоев стали 45 после комбинированной обработки.
Апробация результатов исследования. Результаты диссертации представлялись на IV Евро-азиатской науч.-практ. конф. «Прочность неоднородных структур», Москва, 2008; XVI, XVII Респ. науч. конф. аспирантов, магистрантов и студентов по физике конденсированного состояния «Физика конденсированного состояния», Гродно, 2008, 2009; XI, X Междунар. конф. «Дислокационная структура и механические свойства металлов и сплавов (ДСМСМС-2008)», Екатеринбург, 2008, 2009; 9th, 10th Inter. Conf. of Materials with Particle Beams and Plasma Flows, Tomsk, 2008, 2010; VIII Всерос. школе-семинаре (с международным участием) «Новые материалы. Создание, структура, свойства», Томск, 2008; XVIII Петербургских чтениях по проблемам прочности и роста кристаллов, Санкт-Петербург, 2008; V Междунар. конф. «Фазовые превращения и прочность кристаллов», Черноголовка, 2008; Всерос. науч. конф. молодых учёных «Наука. Технологии. Инновации», Новосибирск, 2008; Всерос. науч. конф. студентов, аспирантов и молодых учёных «Наука и молодёжь: проблемы, поиски, решения», Новокузнецк, 2008; IX Междунар. науч.-техн. Уральской школе-семинаре металловедов-молодых учёных, Екатеринбург, 2008; XV Всерос. науч. конф. студентов-физиков и молодых учёных (ВНКСФ-15), Кемерово-Томск, 2009; V Междунар. конф. «Материалы и покрытия в экспериментальных условиях: исследования, применение, экологически чистые технологии производства и утилизации изделий», Украина, Киев, 2008; II Междунар. рос.-кит. семинаре «Влияние электромагнитных полей на структуру и характеристики материалов», Москва, 2009; IV Рос. науч.-техн. конф. «Ресурс и диагностика материалов и конструкций», Екатеринбург, 2009; XVII Междунар. конф. «Физика прочности и пластичности материалов», Самара, 2009; XL VIII Междунар. конф., «Актуальные проблемы прочности», Тольятти, 2009; Междунар. науч. конф. «Материаловедение и термическая обработка металлов», Магнитогорск, 2009; Междунар. конф. по физической мезомеханике, компьютерному конструированию и разработке новых материалов, Томск, 2009; Междунар. семинаре МНТ-Х «Структурные основы модификации материалов методами нетрадиционных технологий», Обнинск, 2009; V Всерос. конф. молодых учёных «Материаловедение, технологии и экология в 3-ем тысячелетии», Томск, 2009; XV Междунар. науч.-практ. конф. студентов, аспирантов и молодых учёных «Современные техника и технологии», Томск, 2009; Бернштейновских чтениях по термомеханической обработке металлических материалов, Москва, 2009; Междунар. науч.-практ. конф. с элементами научной школы для молодых
учёных «Инновационные технологии и экономика в машиностроении», Томск, 2010; V Евраз. науч.-практ. конф. «Прочность неоднородных структур (ПРОСТ 2010)», Москва, 2010.
Публикации. Всего по теме диссертации опубликовано 10 статей, 5 из которых в журналах из перечня ВАК и тезисы 35 докладов на конференциях, семинарах, симпозиумах, школах и чтениях.
Структура и объем работы. Диссертация включает в себя введение, 4 раздела и основные выводы, изложена на 112 страницах, содержит 64 рисунка и 4 таблицы, список литературы состоит из 113 наименований.
