Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Формирование структурно-фазовых состояний и свойств поверхностных слоев металлов при электровзрывном легировании 15
1.1 Упрочнение и защита поверхности металлов двухкомпонентным электровзрывным легированием 15
1.2 Поверхностное легирование металлов с использованием концентрированных потоков энергии 17
1.2.1 Возможности интенсификации химико-термической обработки металлов 17
1.2.2 Способы легирования поверхности с использованием концентрированных потоков энергии 21
1.2.3 Электровзрывное легирование - новый способ обработки металлов 28
1.3 Анализ работ по электровзрывному легированию 33
1.3.1 Теплофизические и гидродинамические процессы воздействия импульсных плазменных струй на поверхность металлов 33
1.3.2 Структурно-фазовое состояние и свойства поверхности металлов после воздействия концентрированных потоков энергии 41
1.3.3 Физические особенности электровзрывного легирования металлов 45
1.4 Цель и задачи исследования 51
Глава 2 Материалы, электровзрывная установка и методика исследований 54
2.1 Материалы для проведения исследований процессов электровзрывного легирования металлов 54
2.2 Лабораторная установка для получения импульсных гетерогенных плазменных струй из продуктов электрического взрыва проводников 57
2.3 Режимы обработки, методы исследования структурно-фазовых состояний и свойств зоны легирования 58
Глава 3 Структурно-фазовые состояния и свойства поверхности металлов после однокомпонентного легирования железа и никеля 65
3.1 Оптическая микроскопия и микротвердость модифицированных слоев: системы железо-углерод; никель-углерод; никель-бор 65
3.2 Рентгенографическое исследование модифицированной зоны никеля после науглероживания в различных режимах 73
3.3 Электронная микроскопия поверхности 76
3.3.1 Науглероживание железа: рельеф поверхности, фазовый состав и дефектная субструктура 76
3.3.2 Исследования науглероженной зоны никеля 84
3.3.3 Мезоструктурный уровень модификации никеля после электровзрывного борирования поверхности 90
3.4 Выводы 98
Глава 4 Структурно-фазовые состояния и свойства поверхности после двухкомпонентного электровзрывного легирования металлов 102
4.1 Особенности рельефа поверхности железа и никеля после электровзрывного карбоборирования 102
4.2 Карбоборирование железа и никеля: изменение фазового состава и дефектной субструктуры по глубине зоны легирования 106
4.2.1 Оптическая микроскопия и микротвердость модифицированной зоны 106
4.2.2 Электронно-микроскопические исследования 108
4.3 Упрочнение и защита поверхности инструментальной стали комплексным электровзрывным легированием и нанесением покрытий 118
4.4 Выводы 120
Глава 5 Анализ некоторых особенностей физических процессов при электровзрывном легировании 121
5.1 Моделирование тепломассопереноса через границу плазма-расплав при науглероживании железа и никеля 121
5.2 Перегрев облучаемой поверхности металлов при высокоинтенсивных режимах обработки 125
5.3 Выводы 128
Заключение 130
Список литературы
- Поверхностное легирование металлов с использованием концентрированных потоков энергии
- Лабораторная установка для получения импульсных гетерогенных плазменных струй из продуктов электрического взрыва проводников
- Рентгенографическое исследование модифицированной зоны никеля после науглероживания в различных режимах
- Карбоборирование железа и никеля: изменение фазового состава и дефектной субструктуры по глубине зоны легирования
Введение к работе
Актуальность исследования. Решение ряда задач упрочнения и защиты металлов может эффективно достигаться обработкой поверхности с использованием импульсных плазменных струй, формируемых при электрическом взрыве проводников.
Одним из видов электровзрывной обработки поверхности, нашедшим промышленное применение, является нанесение покрытий из продуктов взрыва проволочек и фольг. Для этого используется система двух соосно расположенных токо-подводящих электродов. Известен также опыт электровзрывного нанесения покрытий с использованием коаксиально-торцевой системы электродов, при которой взрываемый проводник, например круглая фольга, зажимается между торцами внутреннего электрода, изготовленного в виде цилиндрического стержня, и внешнего электрода в виде кольца. В этом случае из продуктов взрыва формируется сверхзвуковая импульсная плазменная струя, взаимодействие которой с поверхностью при определенных условиях приводит к образованию вблизи нее ударно-сжатого слоя с высокими значениями температуры и давления. Это позволяет проводить не только напыление покрытий, но и осуществлять электровзрывное легирование (ЭВЛ). Оно происходит в результате оплавления и насыщения продуктами взрыва тонких поверхностных слоев облучаемого материала. Оказывается возможным также внесение в расплавленные слои порошковых частиц различных веществ, которые специально вводят в плазменную струю.
В связи с этим возникает необходимость как всестороннего изучения технологических возможностей ЭВЛ, так и модельного описания всего комплекса процессов, сопровождающих формирование плазменных струй и взаимодействие их с поверхностью.
Известно, что формирование на поверхности слоев, обладающих одновременно комплексом повышенных эксплуатационных свойств, может быть достигнуто при
одновременном или последовательном легировании поверхности двумя или большим количеством элементов [1-4]. Однако до недавнего времени исследования в области ЭВЛ были посвящены формированию структурно-фазовых состояний и свойств поверхности при насыщении ее каким-либо одним элементом (углеродом, алюминием, никелем и др.). Технологические же вопросы осуществления двух- и многокомпонентного ЭВЛ и его результаты до сих пор изучены недостаточно.
С другой стороны, основой управления ЭВЛ с целью получения заданного результата является понимание особенностей всех взаимосвязанных между собой стадий обработки. Среди них условно можно выделить "внешнюю" стадию разрушения проводника и формирования гетерогенной плазменной струи в процессе разряда накопителя энергии; "поверхностную", связанную с физико-химическими процессами на границе раздела плазма-расплав, и "внутреннюю", определяющую конвективное перемешивание расплава и его кристаллизацию. Как показали ранее выполненные исследования, глубина зоны легирования и степень ее насыщения компонентами плазмы возрастают с ростом интенсивности термо-силового воздействия на поверхность. В связи с этим высокоинтенсивные режимы обработки представляют наибольший практический интерес. Вместе с тем, при таких режимах обработки под действием давления струи происходит течение расплава, приводящее к его выплеску. Представляется необходимым подвергнуть детальному анализу особенности структурно-фазовых состояний зоны ЭВЛ, сформированной в этих режимах.
Цель и задачи исследования. Высказанные выше соображения и обусловили постановку цели и задач исследования настоящей работы. Она посвящена установлению закономерностей влияния высокоинтенсивного термо-силового плазменного воздействия на формирование структурно-фазовых состояний и свойств зоны одно-и двухкомпонентного науглероживания и карбоборирования металлов.
В соответствии с этой целью были поставлены следующие задачи. Во-первых, методами измерения микротвердости, световой, растровой и просвечивающей электронной микроскопии и рентгеноструктурного фазового анализа изучить закономер-
7 ности одно- и двухкомпонентного ЭВЛ модельных металлов и промышленной стали. Во-вторых, дать модельное описание процессов ЭВЛ (растворения легирующих элементов в расплавленном слое и конвективного перемешивания расплава). В-третьих, определить служебные свойства модифицированных слоев - их микротвердость, износо- и жаростойкость в атмосфере воздуха.
Объект исследования. Настоящая работа выполнена в рамках общего направления развития научных исследований и практических разработок - обработки материалов концентрированными потоками энергии (КПЭ). Такая обработка проводится различными способами, например, с использованием лазерного излучения, электронных пучков, плазменных струй, электрических токов высокой частоты. Известны различные ее виды. Это и термообработка поверхности, нанесение на нее тонких пленок и покрытий, поверхностное легирование и др. Использование того или иного способа обусловлено, прежде всего, экономическими соображениями, технологическими особенностями самого способа и содержанием конкретной задачи.
Предмет исследования. Поскольку каждый из способов обработки имеет свои достоинства и недостатки и свою оптимальную область применения, разработки новых способов упрочнения и защиты поверхности продолжаются. Одним из таких способов и является ЭВЛ.
Методологическая и теоретическая основа исследования. За последние годы в нашей стране и за рубежом был опубликован ряд монографий и множество статей по вопросам взаимодействия КПЭ с веществом. В них отражены достижения науки в области изучения физических и физико-химических процессов в зонах воздействия КПЭ (прежде всего лазерного и электронного излучения), а также их практического применения. Наиболее значимыми для нашей работы оказались литературные источники [5-17]. По вопросам электровзрывной обработки и, в частности, ЭВЛ были использованы результаты работ [18-51].
Накопление знаний в этой динамично развивающейся области науки приводит, в частности, к расширению области пересечения существенно различающихся по
8 техническому оформлению процессов лазерной, электронно-лучевой и плазменной
обработки, поскольку геометрические и технологические параметры их в технологическом диапазоне оказываются близкими друг к другу. В связи с этим мы считали целесообразным анализировать основные физические явления, возникающие при ЭВЛ металлов, с единых для всех названных способов обработки позиций, развивая уже имеющиеся в литературе модельные представления. Прежде всего, это касается теплофизических и гидродинамических процессов дообработки. Ранее этот подход систематически применялся в работах [51-66], которые положили начало данным исследованиям.
Научная новизна. Впервые получены борированные электровзрывным способом поверхностные слои на никеле. Реализованы новые для практики ЭВЛ процессы двухкомпонентного легирования - карбоборирования железа и никеля в высокоэнер-гетичном режиме, а также комплексное легирование поверхности инструментальной стали Х12 гадолинием и бором. Методами световой, растровой и просвечивающей электронной микроскопии тонких фольг изучены особенности структурно-фазовых состояний зоны электровзрывного карбоборирования железа и никеля. Установлено, что она имеет ярко выраженное градиентное строение и закономерное расположение по глубине слоев с различной степенью легирования, дисперсности структуры, содержанием и морфологией фаз, образованных с участием легирующих элементов. Описана новая особенность, возникающая на границе зоны легирования с основой при обработке в высокоэнергетичных режимах и представляющая собой неустойчивость границы оплавления под действием течения расплава. Определены свойства модифицированных легированием слоев. С использованием данных рент-геноструктурных исследований проведен анализ влияния интенсивности термосилового воздействия на поверхность никеля импульсной плазменной струи на степень легирования расплава плазменным компонентом продуктов электровзрывного разрушения углеграфитовых волокон. Исследовано влияние перегрева расплава под
9 давлением струи выше температуры кипения при нормальном давлении на процессы
конвективного перемешивания расплава.
Практическая значимость работы. Установлено, что при электровзрывном легировании стали Х12 гадолинием и бором удается получить поверхностные слои с высокой твердостью, одновременно устойчивые как против высокотемпературного окисления, так и против изнашивания. Прочностные характеристики повышаются в несколько раз. Определены особенности ЭВЛ в высокоэнергетичных режимах, тем самым обоснованы предложения по его возможному использованию в условиях производства.
Апробация результатов исследования. Результаты диссертации представлялись на Всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "Наука и молодежь: проблемы, поиски, решения", Новокузнецк, 2005; VIII Международном семинаре "Структурные основы модификации материалов методами нетрадиционных технологий" (МНТ - VIII), Обнинск, 2005; XLIV Международной конференции "Актуальные проблемы прочности", Вологда, 2005; VIII Международной школе-семинаре 'Эволюция дефектных структур в конденсированных средах", Барнаул, 2005; Всероссийской научно-практической конференции "Металлургия: новые технологии, управление, инновации и качество", Новокузнецк, 2005; Международной конференции "Актуальные проблемы физики твердого тела" (ФТТ - 2005), Минск, 2005; III Российской научно-технической конференции "Физические свойства металлов и сплавов" (ФСМиС - III), Екатеринбург, 2005; VI Международном междисциплинарном симпозиуме "Фракталы и прикладная синергетика", Москва, 2005; II Международной школе "Физическое металловедение" и XVIII Уральской школе металловедов-термистов, Тольятти, 2006; 3-й Всероссийской конференции молодых ученых в рамках Российского научного форума с международным участием "Демидовские чтения" "Фундаментальные проблемы в 3-м тысячелетии", Томск, 2006; Петербургские чтения по проблемам прочности, посвященные 75-летию со дня рождения В. А. Лихачева, Санкт-Петербург, 2006; III Евразийской научно-
10 практической конференции "Прочность неоднородных структур" (ПРОСТ - 2006),
Москва, 2006.
Публикации. Всего по теме диссертации опубликовано 25 работ, в том числе 17 статей и тезисы 8 докладов.
Основные положения, выносимые на защиту.
Способ обработки металлов импульсными плазменными струями, сформированными при электрическом взрыве углеграфитовых волокон или никелевых фольг с нанесенными на них навесками аморфного бора или совместно порошка гадолиния соответственно, приводит к образованию поверхностных слоев, в состав которых входят как элементы материала основы, так и элементы, вносимые из струи.
Прямые доказательства, полученные методами просвечивающей электронной микроскопии, а также другими современными средствами металлографических исследований материалов (рентгеноструктурный фазовый анализ, световая микроскопия протравленных шлифов, измерения микротвердости) того, поверхностные слои обладают градиентным строением и закономерным расположением относительно друг друга слоев с различными структурно-фазовыми состояниями.
Результаты металлографических исследований строения, структуры и фазового состава зоны легирования, согласно которым легирование осуществляется на всю ее глубину как плазменными компонентами струи продуктов взрыва, так и конденсированными частицами. При этом степень легирования уменьшается с расстоянием от поверхности зоны легирования и возрастает с увеличением термосилового воздействия на поверхность.
Экспериментальные результаты, согласно которым модифицированные легированием слои обладают повышенными значениями микротвердости, износо- и жаростойкости.
Модель науглероживания расплава никеля плазменным компонентом струи.
Анализ влияния перегрева расплава под давлением струи на конвективное перемешивание.
Краткое описание структуры диссертационной работы. Диссертация включает в себя введение, 5 глав и заключение, изложена на 159 страницах машинописного текста, содержит 51 рисунок и 4 таблицы, список литературы состоит из 234 наименований.
Первая глава посвящена анализу научных исследований и практических разработок в области упрочнения и защиты металлов поверхностным легированием с использованием КПЭ. Принципиальная идея этого вида обработки состоит в оплавлении поверхности металла и насыщении ее легирующими компонентами, проникающими в глубь в основном при конвективном перемешивании. Основное внимание уделено импульсным плазменным способам обработки поверхности. В настоящее время для этой цели разработаны различные плазменные источники со стационарным и импульсным режимами работы.
Рассмотрены литературные данные по формированию импульсных плазменных струй при электрическом взрыве проводников с использованием коаксиально-торцевой системы электродов, возможностям управления их структурой, взаимодействию с поверхностью. Рассмотрены также различные физические процессы, характерные для процессов импульсного поверхностного легирования, в частности, электровзрывного, определяющие формирование структурно-фазовых состояний и свойств модифицированных легированием слоев.
Показано, что результаты ЭВЛ определяет внутренняя взаимосвязь гетерогенной структуры плазменных струй, их импульсного характера и сочетания одновременно действующих на поверхность теплового, силового и химического факторов воздействия.
Отмечено, что разработка технологических возможностей ЭВЛ, также как и модельное описание различных стадий этой обработки в настоящее время не завершены. Выявлено перспективное направление ее развития, а именно двухкомпонент-ное легирование поверхности продуктами электровзрыва проводников и частицами порошковых частиц, вводимых в область взрыва.
В конце главы сформулированы цель и задачи исследования, раскрыта его научная значимость.
Во второй главе описана функциональная электрическая схема лабораторной установки для получения гетерогенных плазменных струй и ее параметры. Рассмотрены использованные методы исследования фазового состава и свойств поверхностных слоев. Обоснован выбор процессов (науглероживания, борирования и карбобо-рирования) и материалов для исследования - модельных металлов железа и титана, а также инструментальной стали для определения возможности практического использования способа.
В третьей главе представлены результаты исследования однокомпонентных систем железо-углерод, никель-углерод и никель-бор, сформированных на поверхности модельных металлов при ЭВЛ. Методом измерения микротвердости определено распределение углерода в поверхностных слоях никеля после электровзрывного науглероживания с оплавлением поверхности в различных режимах. Показано, что степень легирования расплава плазменным компонентом гетерогенной плазменной струи возрастает при увеличении термосилового воздействия на поверхность. Зависимость степени легирования от глубины модифицированных слоев отражает особенности воздействия плазменной струи на поверхность, приводящего к конвективному перемешиванию расплава и перераспределению легирующей добавки по глубине.
Проведены исследования рельефа поверхности, фазового состава и дефектной субструктуры зоны легирования на различных расстояниях от поверхности облучения образцов после электровзрывного науглероживания железа и никеля и электровзрывного борирования никеля в высокоэнергетичных режимах обработки. Показано, что формирующаяся структура имеет ярко выраженный градиентный характер, вызванный изменением концентрации легирующего элемента по глубине зоны. Выявлено формирование на границе оплавления подслоя с существенное измельченной зеренной структурой.
Расширение функциональных возможностей ЭВЛ может достигаться одновременным легированием поверхности двумя или несколькими элементами. В этом случае поверхность может приобретать дополнительные полезные эксплуатационные свойства В четвертой главе рассмотрены результаты, полученные при исследованиях рельефа поверхности, фазового состава и дефектной субструктуры зоны ЭВЛ после карбоборирования железа и никеля. На поверхности обоих металлов обнаружено формирование несплошного покрытия, образованного конденсированными частицами из тыла струи. Обнаружено закономерное расположение по глубине слоев с различными структурно-фазовыми состояниями. На поверхности располагался нанокристаллический слой, образованный фазами с высоким содержанием легирующих элементов. За ним шли слои с ячеистой кристаллизацией, имеющие непрерывно увеличивающиеся размеры ячеек твердого раствора. При этом уменьшалось количество вторых фаз, образованных с участием легирующих элементов. На границе зоны легирования располагались слои с зереннои структурой, которая имела низкую степень легирования и высокую степень пластической деформации. Показано, что некоторые особенности формирования зоны легирования могут быть связаны с перегревом расплава под давлением струи в процессе обработки. Особенности рельефа поверхности железа по сравнению с никелем состояли в появлении многочисленных трещин и пор. Обсуждены возможные причины их образования, связанные с физическими процессами, сопровождающими ЭВЛ обработку поверхности. Представленные результаты дополнены измерениями распределения микротвердости зоны легирования по глубине.
Приведены результаты электровзрывной обработки образцов стали Х12, осуществленной в двух режимах - легирования поверхности и нанесения покрытий. Взрываемым проводником служила тонкая алюминиевая фольга с навеской порошков аморфного бора и гадолиния, взятых в стехиометрическом соотношении, необходимом для образования борида гадолиния. Методами испытаний на микротвёрдость, абразивную износостойкость и жаростойкость в атмосфере воздуха показано,
14 что названные способы обработки могут быть с успехом использованы для упрочнения и защиты инструментальных материалов в условиях, когда поверхность должна обладать одновременно комплексом необходимых эксплуатационных свойств.
Поверхностное легирование металлов с использованием концентрированных потоков энергии
Для решения задач повышения эффективности производства проблема надежности и долговечности деталей машин и механизмов имеет особое значение. Вследствие изнашивания, коррозии, высокотемпературного окисления и других причин происходит около 90 % аварийных поломок машин, затраты на ремонт и техническое обслуживание которых в несколько раз превышают их стоимость. По данным работ [79, 80] с этим связано 80 % общего времени простоев в промышленности, а на изготовление запасных частей расходуется 20-30 % ежегодно выплавляемого металла.
В рамках металловедения пути решения данной проблемы состоят в выборе для изготовления деталей уже существующих высокоэффективных материалов и создании новых более прочных и долговечных сталей и сплавов. Однако по мере развития и совершенствования техники требования к материалам постоянно растут. Они определяются, в частности, стремлением к повышению рабочих температур, реализуемых скоростей движения и передаваемых давлений в подвижных сопряжениях деталей машин при одновременном снижении массы деталей на единицу мощности. В связи с этим применение традиционных конструкционных сталей и сплавов в ряде случаев уже не в состоянии удовлетворить комплекс этих требований. Борьба с коррозией и износом осложнена тем, что создание новых объемно-легированных материалов, являющееся до сих пор основным способом повышения надежности и долговечности, становится все более проблематичным из-за дефицита и дороговизны легирующих металлов. Например, добавки переходных элементов в высоколегированных сталях обусловливают до 30 % их стоимости.
В этих условиях оказывается экономически и технически целесообразно развивать принципиально иной подход к выбору материалов, при котором механическая прочность детали обеспечивается применением экономичных низколегированных сплавов, а специальные свойства поверхности - сплошным или локальным формированием на ней тонких легированных слоев или нанесением покрытий, свойства которых соответствуют эксплуатационным требованиям. Экономия при таком подходе может достигать 90-99 % [12].
В настоящее время в промышленности 25 % механически обрабатываемых деталей с целью повышения их прочности, вязкости и пластичности подвергают различным видам термообработки. По оценкам экспертов доля поверхностной термообработки, в том числе ХТО, в ближайшей перспективе будет неуклонно возрастать [81].
Основное направление развития ХТО металлов в современных условиях производства- это использование энергосберегающих и безотходных процессов и сокращение их длительности.
Долгое время усилия при изучении ХТО были сосредоточены на установлении механизмов и закономерностей проникновения легирующих элементов в металлическую основу и характера роста и свойств образующихся диффузионных зон. Это не давало полного представления о процессах ХТО и достаточных возможностей управления ими с целью интенсификации. В последние годы разработаны способы воздействия на отдельные стадии ХТО - диссоциацию, адсорбцию и диффузию.
Известны, например, ряд способов, позволяющих увеличить скорость диффузии легирующих элементов. Они используют воздействие радиационного облучения, ультразвуковых колебаний, пластической деформации и термоциклиро-вания [82, 83]. Широкое распространение получили такие методы насыщения металлов из активных жидких и газовых сред, как ХТО в тлеющем разряде [84, 85], применение которого явилось одной из первых попыток использования новых физических явлений в этой области технологии. Основной их особенностью является нагрев обрабатываемого изделия за счет энергии электрического разряда в результате бомбардировки поверхности заряженными частицами и излучением ионизированной среды. Еще одно направление интенсификации физико-химических процессов ХТО заключается в обработке поверхности искровыми разрядами. Примером является способ науглероживания в электротермическом кипящем слое при возбуждении разрядов между частицами графита и обрабатываемым изделием [85].
Другой аналогичный способ получил название электроискрового легирования [8,85-88]. Его суть заключается в том, что на обкладках конденсатора накапливается энергия, которая затем практически мгновенно освобождается между электродами, одним из которых служит упрочняемая деталь. Модифицированные слои на ней формируются за короткое время при высоких скоростях нагрева и охлаждения. При действии на поверхность искровых разрядов в условиях высоких температур и давлений происходит направленный перенос на нее материала электрода, его активное перемешивание и химическое взаимодействие с материалом основы. Отличительной особенностью электроискрового легирования является малый вклад диффузионных процессов при формировании слоев.
В названных способах применение электрического тока для нагрева поверхности является опосредованным. Разность потенциалов между электродами в них служит, прежде всего, для инициирования электрических разрядов. В то же время, разработаны процессы ХТО с прямым электрическим нагревом деталей токами высокой частоты и электроконтактным путем.
Применение токов высокой частоты позволяет сократить время обработки с нескольких часов до нескольких минут и даже секунд, обойтись без использования дорогостоящих контейнеров и нагревателей из высоколегированной стали, обеспечить разложение насыщающей среды непосредственно на поверхности изделий, что способствует более интенсивному развитию адсорбционных процессов. В результате значительно ускоряются такие традиционные виды ХТО, как цементация и азотирование. Известны способы науглероживания сплавов с высокочастотным нагревом в твердых, жидких и газообразных средах [85,89, 90]. Имеющиеся оценки свидетельствуют об удешевлении этих процессов по сравнению с обычной цементацией на 20-25 %.
Лабораторная установка для получения импульсных гетерогенных плазменных струй из продуктов электрического взрыва проводников
В работах [53-58,60-62,66] изучали возможности науглероживания титана, железа, никеля и меди электровзрывом углеграфитовых волокон. Выбор титана и железа для обработки был обусловлен тем, что их сплавы с углеродом хорошо изучены. По вопросам цементации железа и стали в разнообразных условиях, в том числе с применением КПЭ, имеется много литературных данных [86-88,95-110,115-117]. Это позволило надежно интерпретировать получаемую металлографическую информацию. Выбор никеля и меди для сравнительного изучения науглероживания был обусловлен тем, что их теплофизические свойства сильно отличаются от свойств титана и железа, а, кроме того, они сильно отличаются друг от друга по способности растворять углерод. С другой стороны, науглероживание никеля позволяет повысить микротвердость [198], жаропрочность и другие свойства поверхности. Кроме того, в литературе описаны результаты науглероживания никеля в условиях, близких к условиям при ЭВЛ, а именно - при лазерном легировании поверхности в процессе оптического пробоя углеродсодержащей среды [198], а также при напылении никелевых покрытий детонационно-способной смесью кислорода с ацетиленом [199].
По результатам этих исследований представляется, что железо и никель являются хорошими модельными объектами для продолжения изучения процессов электровзрывного науглероживания на более детальном уровне с использованием электронной микроскопии.
Исходя из высказанных выше соображений, развитие этих работ в рамках двухкомпонентного ЭВЛ представляется перспективным в направлении изучения процессов одновременного насыщения поверхности углеродом и бором (С + В). Борирование - это один из эффективных способов повышения износостойкости металлов, в том числе при повышенных температурах и в агрессивных средах. Однако применение для этого традиционной ХТО часто ограничено тем, что зона борирования обладает повышенной хрупкостью. В то же время, применение способов жидкофазного борирования с использованием КПЭ позволяет получать на поверхности более вязкие по сравнению с обычными гетерогенные структуры с требуемыми эксплуатационными свойствами [121,122,125]. В практике традиционной ХТО для уменьшения хрупкости легированных слоев проводят комплексное насыщение стали бором и другими элементами. В частности известно, что углерод, алюминий и медь снижают относительное содержание хрупкой фазы FeB в борированном слое [200].
Руководствуясь соображениями возможного практического использования ЭВЛ, обработке подвергали также инструментальную сталь XI2. Обработке подвергали пластины технически чистых железа марки 008ЖР и никеля марки НП1, продольные размеры которых достигали 30x30 мм, толщиной 3-5 мм в случае железа и 2 мм в случае никеля. Обрабатываемые образцы инструментальной стали XI2 в состоянии поставки имели размеры 20x20x3 мм. Во всех случаях образцы для металлографических исследований вырезали из приосе-вой области зоны плазменного воздействия.
Одним из материалов взрываемых по коаксиально-торцевой схеме проводников служили волокна углеграфитовой ткани. Каждое углеродное волокно состоит из нескольких тысяч нитей диаметром 5-8 мкм, представляющих собой поликристаллы лентообразных слоев графита [201]. Преимущество использования волокон и текстильных материалов на их основе перед другими углеродными материалами в практике ХТО обусловлено их высокими капиллярными свойствами и хорошей смачиваемостью расплавами [202]. Большое значение имеет также то, что конденсированные частицы, образовавшиеся при электровзрыве углегра-фитовых волокон, находятся сначала в плазменной струе, а затем взаимодействуют с расплавом в твердом состоянии. Это позволяет оценить вклад в степень легирования поверхностных слоев как плазменной, так и конденсированной фазы продуктов взрыва.
В случае карбоборирования железа и никеля и в случае борирования никеля в область взрыва над внутренним электродом вводили порошковую навеску аморфного бора массой 60 мг. Она увлекалась плазменной струей продуктов взрыва и переносилась на облучаемую поверхность. При борировании никеля материалом взрываемого проводника служила никелевая фольга толщиной 50 мкм. Выбор системы никель-бор для исследований был обусловлен ее практической важностью. Известно, в частности, что электрохимические покрытия этой системы, обладая повышенными коррозионной и износостойкостью, микротвердостью и рядом других полезных свойств, находят промышленной применение при изготовлении печатных плат, интегральных схем, контактов, разъемов [203]. При обработке инструментальной стали использовали алюминиевую фольгу толщиной 20 мкм с порошковой навеской аморфного бора и гадолиния, взятых в стехиометрическом соотношении, необходимом для образования борида GdB6. Нетрадиционное для практики ХТО использование редкоземельного гадолиния было обусловлено тем, что помимо изменения механических и химических свойств поверхности, он способен придать ей нужные физические свойства.
Рентгенографическое исследование модифицированной зоны никеля после науглероживания в различных режимах
Система никель-бор. Толщина модифицированной зоны в этом случае достигала 50 мкм. Ее особенностью было то, что ее граница с основой была значительно более ровной по сравнению с предыдущими двумя случаями. Объяснение этому могло быть следующим. Для формирования данной системы на поверхности использовалась никелевая фольга толщиной 50 мкм. По-видимому, эта толщина уже не соответствовала условиям, при которых разрушение фольги происходило по механизму электрического взрыва проводника [18]. В работах [43,44] обсуждался другой возможный механизм разрушения фольги при разряде на нее импульсного накопителя энергии, а именно путем эрозии ее кромки при горении электрической дуги между фольгой и внутренним электродом. Представляется, что в этом случае в продуктах разрушения фольги плазменного компонента становилось меньше, чем при разрушении фольги по механизму электрического взрыва. Это приводило к уменьшению давления на поверхность и проявлялось в менее выраженном влиянии гидродинамики расплава на формирование границы зоны легирования с основой металла.
Распределение микротвердости по глубине в зоне легирования показано на рисунке 3.6. Видно, что при борировании она была примерно на 50 % выше, чем при науглероживании.
Ниже рассмотрены результаты рентгенографических исследований поверхностных слоев никеля, науглероженных в различных режимах, которые задавали величиной зарядного напряжения U накопителя. Они дополняют изложенные выше результаты измерения микротвердости в этих же режимах обработки и позволяют судить о зависимости степени легирования расплава плазменным компонентом струи от интенсивности воздействия на поверхность.
Согласно работам [55,60] увеличение интенсивности воздействия q и соответственно давления р в ударно-сжатом слое приводило к увеличению времени насыщения г, максимальной температуры, достигаемой на поверхности к концу импульса воздействия, глубины гзоны оплавления и легирования, а также длины "языков" расплава, т.е. к усилению его течения вдоль поверхности:
По данным рентгеноструктурных исследований фазовый состав слоя образовывали два твердых раствора с разными периодами ах и а2 решетки (рисунок 3.8). Пользуясь известным соотношением [198] а, нм = 0,3524+0,0008 -ат.%С по параметрам решетки определили соответствующие концентрации С[ и С2. Сопоставление полученных значений концентрации друг с другом позволило считать, что в указанных режимах обработки концентрация в низкоуглеродистом растворе (Q) монотонно увеличивалась с ростом интенсивности воздействия на поверхность, а в высокоуглеродистом растворе (С2) оставалась постоянной.
Образование в поверхностном слое двух твердых растворов может быть объяснено следующим образом. В процессе насыщения расплава никеля углеродом из ударно-сжатого слоя в условиях слабого химического взаимодействия данных элементов друг с другом концентрация в слое увеличивалась, но оставалась в доэвтектической области. После окончания импульса воздействия происходила кристаллизация оплавленного слоя, которая начиналась от границы оп давления. Вблизи нее скорость охлаждения была максимальной, поэтому выделяющийся из расплава первичный твердый раствор с концентрацией С, фиксировался в результате резкой самозакалки. Расплав с более высокой концентрацией углерода вблизи поверхности распадался по эвтектической реакции с образованием метастабильного карбида Исходя из этих представлений по диаграмме состояния из работы [210] была определена общая концентрация С углерода в слое, значения которой приведены выше.
Ранее сообщалось [209], что в данной системе при резкой закалке после лазерной обработки возможно образование гексагональных карбидов, в частности Ni3C. В работе [209] было рентгенографически зафиксировано образование карбида ЩС в сплаве никеля, содержащего 5 % углерода и подвергнутого лазерному переплаву. Однако в нашем случае из-за меньшей степени легирования расплава говорить о наличии карбидов в легированном слое можно только лишь по косвенным признакам. А именно, об этом можно судить по некоторому поднятию фона рентгенограммы со стороны малых углов линии (311). Надежно установить наличие карбидов в слое можно только лишь с использованием других методов исследования (например, методов дифракционной электронной микроскопии). Отметим, что образование карбидов не наблюдали и в работе [199] при детонационно-газовом напылении покрытий никеля, когда концентрация углерода в образующемся твердом растворе достигала по оценкам авторов 7,5 ат. %.
Разделяя методом Решингера перекрывающиеся дифракционные пики, соответствующие твердым растворам, и сопоставляя их интенсивности друг с другом установили, что с ростом зарядного напряжения относительное содержание твердого раствора с большей концентрацией увеличивалось. При этом монотонно увеличивался и размер ОКР (см. данные, приведенные выше. Числитель соответствует слою, знаменатель - основе). Это находит объяснение в том, что с увеличением интенсивности воздействия и ростом степени ионизации плазмы в ударно-сжатом слое возрастала степень легирования расплава, особенно приповерхностных слоев зоны оплавления. При этом возрастала ее глубина, а скорость кристал лизации, а затем и охлаждения в твердом состоянии, из-за уменьшения градиента температуры снижалась, поэтому размер кристаллитов увеличивался.
Сравнение полученных данных с результатами работы [66], в которой приведены данные по степени электровзрывного науглероживания железа, показывает, что науглероживание никеля происходило менее интенсивно, чем железа. Это отражает более слабую степень химического сродства углерода с никелем по сравнению с железом. С учетом известных результатов по лазерной обработке [10] можно предположить, что при необходимости повысить степень легирования расплава можно путем увеличения числа импульсов плазменного воздействия на поверхность.
Карбоборирование железа и никеля: изменение фазового состава и дефектной субструктуры по глубине зоны легирования
Электролитическое удаление слоя нанокристаллического графита привело к обнаружению подслоя твердого раствора углерода в никеле Ni(C), имевшего также нанокристаллическую структуру (рисунок 3.15, в-д). Средний размер кристаллитов был 37-40 нм. По границам кристаллитов никеля и в стыках границ располагались частицы второй фазы, размеры которых изменялись в пределах 5-Ю нм. Микродифракционный анализ позволил заключить, что данные частицы являлись графитом (рисунок 3.15, д). Одновременно с рефлексами фаз Ni(C) и графита, на микроэлектронограммах данного слоя материала обнаруживались рефлексы окисной фазы состава NiO. Они были весьма слабы, что свидетельствовало о малой толщине (объемной доле) данной фазы. Ее образование можно связать с окислением поверхности расплава при взаимодействии ее с остаточной атмосферой воздуха в технологической камере после окончания импульса воздействия.
На большем удалении от поверхности обработки располагается слой Ni(C), имевший зеренную структуру, размеры которых составляли десятки микрометров. Внутри зерен наблюдалась дефектная субструктура в виде полос деформации (рисунок 3.15, е-з). Полосы деформации были разбиты на фрагменты. По границам фрагментов обнаруживались выделения частиц второй фазы, предположительно графита, размеры которых изменялись в пределах 10-15 нм. Такая структура обнаруживалась и вблизи границы зоны легирования (см. ниже). Возможно, что расположение такой крупнозернистой структуры вблизи поверхности было связано с вытеснением низколегированного расплава от границы оплавления вверх в результате образования неустойчивости Кельвина-Гельмгольца, как это было описано в разделе 3.1.
Структурно-фазовое состояние слоя, расположенного на глубине 1 мкм. Объем материала, сформированный на данном расстоянии от поверхности обработки, представлял собой поликристаллический агрегат на основе твердого раствора углерода в никеле. Средний размер зерен составлял в нем десятки микрометров. В объеме зерен наблюдалась сетчатая дислокационная субструктура, ска-лярная плотность дислокаций которой р -4-Ю см". Отсутствие полос деформации указывало на меньший уровень наклепа данного объема материала по сравнению с поверхностью обработки. Характерной особенностью структурно-фазового состояния данного слоя являлось присутствие частиц карбида никеля состава №зС. Частицы располагались вдоль границ зерен и микродвойников (тонкие прослойки толщиной -3-15 нм), в стыках границ зерен (глобулярные образования диаметром -35-100 нм) и в объеме зерен (частицы сферической формы диаметром -20-40 нм), по-видимому, на дислокациях.
В отдельных случаях в поверхностном слое и слое, расположенном на глубине -1 мкм, обнаруживались области материала размерами 5-Ю мкм, имевшие ярко выраженную двухфазную структуру, организованную по принципу системы «микродуплекс» [215]. Одна из присутствующих в ней фаз имела форму глобул, средний размер которых составлял -230 нм (рисунок 3.16). Глобулы были разделены прослойками второй фазы, толщина которых изменялась в пределах от 50 до 150 нм. Микродифракционный анализ показал, что глобулы представляли собой твердый раствор углерода в никеле, прослойки - графит.
Ранее формирование подобных структур наблюдали в различных условиях: при росте кристаллов систем Pb-Sn, Pb-Sb, Al-Cu при обычных условиях кристаллизации, когда скорость фронта кристаллизации была -10 5 м/с [216]; при на-носекундном лазерном плавлении поверхностных слоев монокристаллов Si, имплантированных ионами In, Ga, Fe, Sb и др. [217]; при плавлении стали марки 0-1 мощным ионным пучком [218], а также при электронно-лучевой обработке промышленных сталей, содержащих включения карбидной фазы субмикронных размеров [219, 220]. Авторы работ [219,220] назвали данные двухфазные образования «ячейками концентрационного расслоения» и показали, что подобные структуры формируются в результате высокоскоростного плавления частиц карбидной фазы и последующей высокоскоростной кристаллизации объема материала, окружающего расплавившуюся частицу. Сверхвысокие скорости нагрева и охлаж О Q дения (-10 -10 К/с) существенно ограничивают время протекания выравнивающей диффузии, способствуя созданию высокого уровня концентрации элемента внедрения в локальном объеме расплава. Последующая высокоскоростная кристаллизация протекает с образованием ячеек концентрационного расслоения. Для случая анализируемой в настоящей работе системы Ni-C можно предположить, что данные области формировались в результате высокоскоростного растворения частиц графита, образовавшихся при электровзрывном разрушении углеграфито-вых волокон.
Слой на глубине -3-5 мкм. На данной глубине формировалось структурно-фазовое состояние, подобное наблюдающемуся в предыдущем слое, за исключением объемов материала с ячейками концентрационного расслоения. А именно, наблюдались зерна твердого раствора углерода в никеле, размеры которых составляли десятки микрометров. В зернах фиксировалась хаотическая либо сетчатая дислокационная субструктура, скалярная плотность дислокаций которой р 4-1010 см"2. В объеме зерен и на их границах обнаруживались частицы карбида никеля состава №зС. Весьма часто на микроэлектронограммах, получаемых с матрицы, обнаруживались дифракционные особенности в виде диффузных крестов вблизи рефлексов типа {002}Ni. Последнее указывало на предраспадное состояние твердого раствора углерода в никеле.
Слой на глубине 25-30 мкм. На глубине 25—30 мкм формировалась структура, существенно отличающаяся от структуры слоев, расположенных выше. А именно, здесь наблюдалось образование зеренно-субзеренной структуры твердого раствора углерода в никеле (рисунок 3.17). Средние размеры зерен составляли 1 мкм. Структура находилась на стадии рекристаллизационного преобразования, о чем свидетельствовали высокая плотность дислокаций в объеме зерен и субзерен и большое количество нестабильных четверных стыков границ. Одним из механизмов формирования центров рекристаллизации, обнаруженных при анализе данной структуры, являлся механизм парной коалесценции [221]. Микроэлектро-нограммы, полученные с данной зеренной структуры, как правило, не содержали диффузных особенностей. Это свидетельствовало о низкой величине концентрации углерода в твердом растворе. В пользу данного предположения также свидетельствовало и значительное (по сравнению со слоем, расположенным на глубине -3-5 мкм) количество частиц карбидной фазы, выявлявшихся на границах и в объеме зерен и субзерен никеля (рисунок 3.17). Их образование и рост сопровождало протекание процесса рекристаллизации в ходе сравнительно большого времени остывания данного слоя в твердом состоянии.
